Elektronik durch Photonik abzulösen, also das Schalten und Rechnen mit Elektronen durch das Umhersenden von Photonen (Lichtteilchen) zu ersetzen, das ist der heilige Gral der Chipentwickler. Sie suchen ihn seit mehr als einem Jahrzehnt, und viele Prüfungen dürften ihnen noch bevorstehen. An diesem Donnerstag, immerhin, ist die photonische Gemeinde dem großen Ziel ein Quant nähergerückt.

Chips auf Lichtbasis wären weitaus schneller und könnten viel kleiner sein als die heutigen Elektronikbauteile. Zu den Malessen des Lichtrechnens zählt freilich der Umstand, dass die Faser, die das Licht leiten soll, mindestens so dick sein muss wie dessen halbe Wellenlänge. Doch schon die heutigen Chips weisen Drähte auf, die weitaus dünner sind. Was also tun?

Nun, es gibt noch etwas, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, aber weitaus schmalere Wellenleiter verträgt als das Licht: Plasmonen. Das sind sogenannte Quasiteilchen, also wellenförmige Phänomene, die der Physiker wie Teilchen berechnen kann. Im Falle der Plasmonen handelt es sich um das Oszillieren von Elektronengruppen, die sich innerhalb der atomaren Gitterstruktur eines Metalls frei bewegen können; die Schwingungen werden mit Licht angeregt und pflanzen sich nahe der Oberfläche des Körpers fort. Es sind so genannte Longitudinalwellen, sie bewegen sich also nicht auf und ab sondern nach Art mancher Würmer entlang der Fortbewegungsachse - man kann sie auch als Dichteschwingungen verstehen. Beeinflussen lassen sich Bewegungsrichtung sowie Energieverlust der Plasmonen durch die Struktur der Metalloberfläche; und so, wie Licht Plasmonen anregen kann, lassen sich schließlich auch wieder Plasmonen in Lichtsignale umwandeln.

Die dänisch-französische Forschergruppe, die ihre Ergebnisse in der jüngsten Ausgabe des Wissenschaftsmagazin nature veröffentlicht hat, arbeitet schon lange mit Oberflächenplasmonen. Ihr Problem, das sie jetzt attackiert hat, ist der Energieverlust der Schwingungsteilchen, der während ihrer Wanderung auftritt. Die Wissenschaftler experimentierten mit „kanalgebundenen“ Plasmonen: Diese bewegten sich am Grund V-förmiger Kanäle, die mit Ionenbeschuss in einen Film aus Gold eingebracht worden waren.

Nun musste die Bewegung der Plasmonen beobachtet werden. Zu diesem Zweck wurde ein optisches Nahfeldmikroskop (Scanning Nearfield Optical Miscroscope, SNOM) eingesetzt. So heißen Geräte, die eine Faserspitze wenige Nanometer (millionstel Millimeter) dicht an das Beobachtungsobjekt heranführen und seine optische Aktivität gewissermaßen Punkt für Punkt abtasten. Die Mikroskope arbeiten weit unterhalb der Auflösungsgrenze, die im Normalfall gilt. Doch dies ist kein Normalfall, denn das im engen Raum der Nanometer wandernde Licht kann mit herkömmlicher Wellentheorie nicht mehr zureichend beschrieben werden. Es hat, bildlich gesprochen, nicht genug Platz, sich auszubreiten, um so grob und plump zu werden wie in der Welt der größeren Abmessungen, in der die Auflösungsgrenze zwischen ein- bis zweihundert Nanometern liegt.

Die SNOM-Spitze sammelte nun also entweichende Lichtteilchen ein und konnte auf diese Weise den Weg der Plasmonen trennscharf verfolgen. Die Plasmonenwanderung verlief erstaunlich verlustfrei, was vermutlich an der präzisen Herstellung der V-Gräben auf den Goldfilmen lag. Zu den Strukturen auf den Filmen zählte auch ein ringförmiger Resonator: eine Art Schleife, die das umlaufende Wellenphänomen bei einer bestimmten Frequenz stabilisierte. Aus solchen Gebilden könnte dereinst ein Bauteil entstehen, das es erlaubt, mit Plasmonen Daten zu speichern und Chips zu schalten.