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Forscher: Holographie ermöglicht die Konstruktion dreidimensionaler photonischer Kristalle mit atomarer Genauigkeit

Physiker der Universität Bonn haben ein neues Verfahren zur Herstellung von Kristallen mittels eines fokussierten Atomstrahls entwickelt. Die Informationen über den periodischen Aufbau des Kristalls sind in einem Hologramm gespeichert, welches die Atome des Strahls an genau definierten Positionen des Raums abscheidet. Die Forscher glauben, dass sich ihr Verfahren zur genauen und schnellen Konstruktion photonischer Kristalle eignet. Darüber berichtet das Fachblatt Physical Review Letters (Band 88 Referenznummer 083601).

Die Forscher um Dieter Meschede ätzten in ihrem Experiment eine einem Backgammonbrett ähnelnde Struktur in eine mit organischen Molekülen überzogene Goldoberfläche. Das abzubildende Muster wurde dazu mittels eines Laserstrahles auf die Goldoberfläche fokussiert. Die Atome eines anschließend unter einem kleinen Winkel auf die Oberfläche treffenden Strahls von Cäsiumsatomen wurden dann durch die Wechselwirkung mit dem Lichtfeld an bestimmten Punkten der Oberfläche abgelagert und ätzen somit das Backgammonmuster in diese ein.

Obwohl diese als Atomlithographie bezeichnete Technik zur Modifizierung von Oberflächen bereits seit längerem bekannt ist, konnten damit bisher nur relativ einfache Strukturen erzeugt werden. Dies liegt vor allem daran, dass komplexe Interferenzmuster des Lichts ? und damit komplizierte Strukturen ? bisher die Fokussierung mehrerer Laserstrahlen auf die Oberfläche erforderten. Die Atome des Ätzstrahls mussten so durch viele verschiedene Lichtfelder wandern, was zu Unsicherheiten und Fehlern bei der Ablagerung führen.

Das Bonner Team umgeht diese Schwierigkeit mittels eines sogenannten holographischen Kristalls. Ein derartiger Kristall kann durch die Ausrichtung seiner polarisierten Moleküle die Interferenzmuster der Überlagerung von Laserstrahlen speichern, und diese Muster können dann mittels eines einzelnen Referenzlaserstrahles ausgelesen werden.

In ihrem Experiment erzeugten die Forscher das Backgammonmuster durch die Überlagerung von drei Laserstrahlen in einem Kristall aus Lithiumniobat. Dieses konnte dann im folgenden mittels eines einzelnen, auf den Kristall fokussierten Strahles rekonstruiert und auf die Goldoberfläche abgebildet werden.

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Ein derartiger holographischer Kristall kann im Prinzip mehrere Tausend Hologramme speichern, die unter verschiedenen Winkeln in diesen eingeschrieben werden. Die Forscher glauben daher, dass sich ihre Methode zur Konstruktion von dreidimensionalen, periodischen Strukturen wie etwa photonischen Kristallen eignen könnte. Photonische Kristalle erlauben eine genaue räumliche Kontrolle der Steuerung elektromagnetischer Wellen und werden so etwa in Mobiltelefonen zur Verbesserung der Empfangsqualität eingesetzt. Sie ermöglichen auch die Entwicklung integrierter optoelektronischer Schaltkreise und sollen so in zukünftigen optischen Chips eingesetzt werden.

Stefan Maier
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