Geschickt gefaltete Nanostrukturen für die drahtlose optische ­Kommunikation der Zukunft

Einem interdisziplinären Forschungsteam am Leibniz-IPHT ist es gelungen, intelligente optische Nanostrukturdesigns zu entwickeln, die die Lichtemission einzelner Quantenemitter gezielt lenken und kontrollieren können. Diese Errungenschaft ebnet den Weg für die Entwicklung effizienter photonischer Schaltkreise, die beispielsweise in der drahtlosen optischen Kommunikation eingesetzt werden können.

Die Forschenden nutzen die DNA-Origami-Technologie, um funktionale und nanoskopisch kleine Strukturen mit definierten Eigenschaften herzustellen. Dabei falten sie lange DNA-Stränge in ein geeignetes dreidimensionales Gerüst, um ein einzelnes Farbstoffmolekül und metallische Nanopartikel in der gewünschten räumlichen Konfiguration anzuordnen. Diese hybriden Nanostrukturen können als gerichtete Einzelphotonen-Lichtquelle in photonischen Nanoschaltkreisen dienen, die Licht zur Signalverarbeitung nutzen. Das spezifische Design erlaubt es, die Ausbreitungsrichtung der emittierten Photonen gezielt zu steuern.

In ihrer aktuellen Arbeit präsentieren die Forscherinnen und Forscher einen äußerst kompakten Metaemitter, der weniger als 150 Nanometer groß ist. Er besteht aus drei 60 Nanometer großen, kugelförmigen Goldnanopartikeln, die von einem dreieckigen DNA-Origami zusammengehalten werden. Ein fluoreszierendes Farbstoff­molekül ist geschickt in der Mitte der Lücke zwischen zwei Goldnanopartikeln platziert. Diese Nanoantenne hat die besondere Eigenschaft, das emittierte Licht gezielt in eine bestimmte Richtung zu lenken.

Die Methode ermöglicht eine unidirektionale Lichtemission, was für Anwendungen in der Quantenkommunikation und für drahtlose optische Nanoschaltkreise von großem Interesse ist. In experimentellen Studien konnte gezeigt werden, dass mit dem plasmonischen Nanoantennendesign die Emission um das 23-Fache verstärkt werden kann und gleichzeitig die Größe im Vergleich zu ihren bisher realisierten Yagi-Uda-Nanoantennen um mindestens den Faktor 5 reduziert werden kann. Damit legen sie einen Grundstein für die Steigerung der Effizienz in der drahtlosen optischen Kommunikation.

Die ursprüngliche Idee zu dieser Arbeit entstand während des traditionellen Promovierendenseminars in Dornburg im Jahr 2017 zwischen den Forschungsabteilungen Nanooptik und Nanobiophotonik am Leibniz-IPHT. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Guillermo Acuna an der Universität Fribourg, Schweiz, veröffentlichten die Forschenden ihre Ergebnisse gemeinsam in der Fachzeitschrift ACS Nano.

Original-Publikation: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05649