Winzige Lichtdetektoren funktionieren wie Gecko-Ohren
Dany112; pixabay.com; CC0
Von Atomen zu Geckos
Wenn ein Geräusch nicht direkt von oben auf den Gecko kommt, nimmt ein Trommelfell im Wesentlichen etwas von der Schallwellenenergie auf, die sonst zum anderen durchdringen würde. Diese Schlussfolgerung hilft dem Gecko - und etwa 15.000 anderen Tierarten mit einem ähnlichen Tunnel - zu verstehen, woher ein Geräusch kommt.
Die Forscher imitieren diese Struktur in ihrem Photodetektor, indem zwei Silizium-Nanodrähte - jeder etwa 100 Nanometer im Durchmesser - nebeneinander aufgereiht sind, wie das Trommelfell des Geckos. Sie sind so eng angeordnet, dass, wenn eine Lichtwelle in einem Winkel einfällt, der Draht, der der Lichtquelle am nächsten ist, die Wellen stört, die auf ihren Nachbarn treffen und im Grunde genommen einen Schatten wirft. Der erste Draht, der das Licht erfasst, würde dann den stärksten Strom abgeben. Durch den Vergleich des Stroms in beiden Drähten können die Forscher den Winkel der einfallenden Lichtwellen abbilden.
Geckos waren nicht die Inspiration für den ersten Bau dieses Systems. Soongyu Yi, ein Doktorand der Elektro- und Informationstechnik an der University of Wisconsin-Madison und Hauptautor der Arbeit, stieß auf die Ähnlichkeit zwischen ihrem Design und den Ohren der Geckos, nachdem die Arbeit bereits begonnen hatte. Sie alle waren überrascht von der tiefen Ebene der Ähnlichkeit. Wie sich herausstellt, beschreibt die gleiche Mathematik, die sowohl die Gecko-Ohren als auch diesen Photodetektor erklärt, auch ein Interferenzphänomen zwischen eng angeordneten Atomen.
"Auf der theoretischen Seite ist es eigentlich sehr interessant zu sehen, wie viele der grundlegenden Interferenzkonzepte, die bis hin zur Quantenmechanik reichen, in einem Gerät auftauchen, das praktisch anwendbar ist", sagt Fan.
Ein langfristiges Engagement
Dieses Projekt begann, als einer der Co-Autoren der Arbeit, Zongfu Yu, ein Student im Fan-Labor war und die Initiative ergriff, seine Arbeit dort mit der Forschung von Brongersma und seinem Labor zu verbinden. Sie machten Fortschritte, mussten aber die Arbeit auf Eis legen, während Yu sich für eine Stelle in der Fakultät bewarb und später sein Labor an der University of Wisconsin-Madison gründete, wo er heute Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik ist und in dessen Labor Soongyu Yi arbeitet.
Viele Jahre später und nach der Veröffentlichung des aktuellen Proof-of-Concept sagten die Forscher, sie würden sich darauf freuen, auf ihren Ergebnissen aufzubauen. Die nächsten Schritte beinhalten die Entscheidung, was sie sonst noch aus Licht messen wollen, und das Anordnen mehrerer Nanodrähte nebeneinander, um zu sehen, ob sie ein komplettes Bildgebungssystem aufbauen können, das alle Details, die sie interessieren, auf einmal aufzeichnet.
"Wir haben lange daran gearbeitet - Zongfu hat eine ganze Lebensgeschichte zwischen Anfang und Ende dieses Projekts! Es zeigt, dass wir bei der Qualität keine Kompromisse eingegangen sind", sagte Brongersma. "Und es macht Spaß zu denken, dass wir für weitere 20 Jahre hier sein könnten, um das ganze Potenzial dieses Systems herauszufinden."