Nano-Optics Graz - Press Coverage 2002



The Economist, October 26, 2002

Feeling flat

A way to bridge the gap between light and electrons is starting to emerge

When Edwin Abbott Abbott set Flatland, a satire on Victorian society, in a two-dimensional universe, it was not meant as a compliment. In Abbott Abbott's geometrical romance, enlightenment comes to the hero, Mr Square, from his understanding of the nature of a third dimension. More dimensions, it seems, are better than less.

Yet, when it comes to building circuits with light, the failure of photons (the particles of which light is composed) to squeeze into flatness has made them less, not more, useful. Electronic chips are essentially two-dimensional, the electrons being confined to conductive and semiconductive layers laid down on a chip's surface. Engineers would like to be able to build chips in which photons and electrons can have meaningful interactions, since that would permit better ways of handling data.

But photons are more wayward than electrons. Although ingenious methods have been developed to corral them into something approaching two dimensions (tiny fibre-optic waveguides, mirrors, diffraction gratings and so on) these components are still so big compared with their electronic cousins that building optoelectronic chips for general use is rare. At the moment, such optoelectronic chips as exist are made of unusual materials, using unconventional processes, and are restricted to specialised applications.

A significant step towards properly integrated optoelectronics has now, however, been made. Joachim Krenn, of the Institute for Experimental Physics in Graz, Austria, and his colleagues, have been experimenting with inelegantly named packets of energy known as surface plasmon polaritons (SPPs). These are neither photons nor electrons, but they rely on both for their existence, and may thus provide a way of bridging the gap.

An SPP forms at the junction between a dielectric (non-conducting) material and a metal. Electrons in a metal are free to oscillate when light hits them. This is why metals are shiny. At a dielectric/metal junction, though, that oscillation is confined, since it cannot spill over into the dielectric material. However, it can still move sideways, being passed from electron to electron as a wave. Moreover, the energy is restricted to those areas that are made of metal. The techniques used to craft chips mean that such areas can be made minute. This, in turn, means that energy from light can be squeezed, via an SPP, into structures the same size as those used to channel electrons.

That energy, and thus the data carried by it, can also be processed. Because SPP propagation takes place entirely between the metallic and dielectric layers, it is sensitive to changes in the junction between the two. This means that components equivalent to those in electronic circuits can be constructed from appropriate patterns of bumps in the junction. Using this technique, Dr Krenn and his colleagues have been able to build many of the types of component needed to handle data encoded in the form of SPPs.

That is all very well, but it would be even better if it were possible to transfer SPP-borne data to electrons, for processing by more conventional components, and back into photons. Bill Barnes, a physicist at the University of Exeter, in England, is trying to do just that. He is looking for materials that are sensitive to the passage of polaritons. He has already discovered some that fluoresce in response to SPPs. However, what he really wants to find is a substance that will change state semi-permanently when an SPP passes by. In particular, he would like to discover one in which the change is from a conductor to a dielectric, or vice versa. That would allow SPPs to throw switches in electronic circuitry, completing the link between optical and electronic data. And that would really get optoelectronics going.



Der Standard, November 19, 2002

Ein völlig flaches Leuchten

Grazer Wissenschafter brachten Licht in die zweite Dimension

Graz - Wissenschafter des Instituts für Experimentalphysik der Uni Graz konnten nun erstmals zeigen, dass sich auch Licht in eine zweidimensionale Ebene zwängen lässt. Was weiteren Verkleinerungen in der weiten Welt der Optik Tür und Tor öffnet, denn bisher waren optische Elemente immer dreidimensional, somit "dick".

Die Forscher koppelten nun zwecks "Verdünnung" Lichtfelder an Elektronen auf der Oberfläche einer lediglich 70 Millionstel Millimeter dünnen Silberschicht. So stellten sie einen Mischzustand aus Licht und geladenen Teilchen her - ein so genanntes Oberflächen-Plasmon, das nicht frei beweglich, sondern eben in der Oberfläche des Silberfilmes gefangen ist. Plasmone unterscheiden sich von herkömmlichen Lichtfeldern also durch ihre praktisch zweidimensionale Struktur.

Das Grazer Team ging dann noch einen Schritt weiter: Durch die Herstellung weniger Nanometer großer Strukturen auf dem Silberfilm konnten sie erstmals die zwei- dimensionalen Varianten von optischen Elementen wie Spiegel und Strahlenteiler konstruieren. Nun sollen auch komplexe optische Geräte mithilfe dieser neuartigen Technologie zweidimensional nachgebildet werden.

"Damit sind wir dem optischen Chip ein gutes Stück näher gekommen", erklärt Joachim Krenn von der Grazer Forschergruppe. "Durch Datenverarbeitung mittels Licht würden Computer nämlich wesentlich leistungsfähiger werden."



ORF online, November 12, 2002

Zweidimensionales Licht für Elektronik

Zweidimensionales Licht für Bauteile der Mikroelektronik konnte bisher nicht hergestellt werden. Grazer Forschern ist nun ein Durchbruch gelungen.

In der Mikroelektronik wird versucht, elektronische Bauteile möglichst flach - also zweidimensional - herzustellen. Licht konnte anders als Strom bislang allerdings nicht in eine zweidimensionale Ebene gezwängt werden.

Bislang in der Optik: Immer 3-D-Strukturen

Damit stößt der Trend zur Verkleinerung im Bereich der Optik an seine Grenzen. Denn wenngleich extrem miniaturisierbar, sind herkömmliche optische Elemente immer dreidimensionale Strukturen - Herstellung und Integration bedürfen komplizierter technischer Verfahren.

Im Gegensatz dazu beruht der Erfolg der Mikroelektronik auf der Möglichkeit elektronische Bauteile praktisch völlig flach, also in zweidimensionaler Bauweise, herzustellen.

Forscher der Uni Graz erzeugen Licht in 2-D

Wissenschaftler des Instituts für Experimentalphysik der Universität Graz konnten nun zeigen, dass sich auch Licht in eine zweidimensionale Ebene zwängen lässt. Sie koppelten Lichtfelder an negative Ladungsträger (Elektronen) an der Oberfläche einer ultradünnen, nur 70 Millionstel Millimeter (Nanometer) dicken Schicht aus Silber. Dadurch stellten sie einen Mischzustand aus Licht und Elektronen her, der als Oberflächen-Plasmon bekannt ist.

Das Entscheidende daran: Wie ihr Name bereits andeutet, sind Oberflächen-Plasmonen in der Oberfläche des Silberfilmes gefangen. Sie unterscheiden sich von herkömmlichen Lichtfeldern also durch ihre praktisch zweidimensionale Struktur.

2-D-Varianten optischer Elemente

Davon ausgehend, verwirklichte das Grazer Team durch die Herstellung von wenigen Nanometer großen Strukturen auf dem Silberfilm erstmals die zweidimensionalen Varianten einer Reihe einfacher optischer Elemente wie Spiegel und Strahlteiler.

Aber auch komplexe optische Geräte können mithilfe dieser völlig neuartigen Technologie zweidimensional nachgebildet werden, wie die Forscher meinen. "Damit sind wir dem optischen Chip ein gutes Stück näher gekommen", schildert Joachim Krenn von der Arbeitsgruppe euphorisch. Durch Datenverarbeitung mittels Licht würden Computer wesentlich leistungsfähiger.

Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten

Die Ergebnisse der Grazer Forscher eröffnen die Möglichkeit der technologisch einfachen zweidimensionalen Fertigung optischer Elemente. Eine weitere Miniaturisierung der Optik, optische Datenverarbeitung und eine Vielzahl von Anwendungen im Rahmen der Nanotechnologie sind nach Aussage der Wissenschaftler dadurch zu erwarten.

Ihre Ergebnisse hat die Grazer Arbeitsgruppe im renommierten Fachjournal Applied Physics Letters veröffentlicht.