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GRAVITATIONSWELLEN
Forscher entwickeln perfekten Siliziumspiegel
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Jena
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31. Mai 2010

Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, die einen Siliziumkristall zum perfekten Spiegel macht: Sie ätzten in seine Oberfläche ein speziell strukturiertes Nano-Gitter. Eine derartige Oberflächenstruktur reflektiert das Laserlicht vollständig - ein Effekt, der bislang nur durch Bedampfen mit einem spiegelnden Schichtsystem erzielt werden konnte. Die neue Methode gilt als äußerst vielversprechend für Hochpräzisionsmessungen in der Gravitationswellenforschung.

Spiegel

Eingravierte Oberflächen-Nanostruktur des Siliziumspiegels. Bild: idw / IAP / FSU

 Für hoch präzise Experimente insbesondere in der Quantenoptik und Gravitationswellenforschung werden optische Spiegel benötigt, die Licht möglichst effizient reflektieren. Um die erforderliche hohe Reflektivität zu erreichen, wird gegenwärtig ein geschliffener Kristall oder poliertes Quarzglas mit mehreren Schichten optisch unterschiedlicher Materialien bedampft. Der Nachteil dieser Methode: Das Beschichtungsmaterial weist eine besonders starke Brownsche Bewegung (Wärmebewegung der Teilchen in der Beschichtung) auf. Daher wird bei einer Messung dem eigentlichen Signal ein thermisches Hintergrundrauschen überlagert, das die Messgenauigkeit einschränkt.

Mit dem Ziel, das störende Rauschen auszuschalten, haben Daniel Friedrich und Frank Brückner in den Arbeitsgruppen von Prof. Roman Schnabel (Institut für Gravitationsphysik, Leibniz Universität Hannover und Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Hannover) und Prof. Andreas Tünnermann (Institut für Angewandte Physik, Friedrich-Schiller-Universität Jena und Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik, Jena), eine neue Methode angewendet: In die Oberfläche eines Siliziumkristalls haben sie ein Nano-Gitter eingraviert. Diese Gitterstruktur fungiert für Licht einer bestimmten Wellenlänge, in diesem Fall Infrarotstrahlung bei 1550 nm, als resonanter Wellenleiter: Senkrecht einfallendes Licht wird durch die Gittergeometrie in mehrere Teilstrahlen gebeugt, die sich anschließend überlagern ("Interferenz").

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Bei dieser besonderen Oberflächenstruktur tritt konstruktive Interferenz jedoch nur in Rückwärtsrichtung auf. Lichtstrahlen, die in anderen Richtungen verlaufen, löschen sich gegenseitig aus. Summa summarum führt dies praktisch zu einer perfekten Reflexion. "Das ist ein ganz ähnlicher Effekt, wie er von bestimmten Schmetterlingsarten bekannt ist. So schillern die Flügel der Morpho-Schmetterlinge deshalb so glänzend blau, weil ihre Flügeloberfläche ebenfalls mit einer periodischen Nano-Struktur versehen ist, die bestimmte Farben des einfallenden Lichts selektiv reflektiert", erklärt Brückner.

Die im Experiment erreichte Reflektivität beträgt exakt 99,8 Prozent, aber bis zu 100 Prozent sind theoretisch möglich. Glatt poliert würde ein Siliziumkristall die Infrarotstrahlung unter senkrechtem Einfall nur bis zu 30 Prozent reflektieren. Damit ersetzt das Nano-Gitter die Beschichtung mit Materialien unterschiedlicher Brechungsindizes. "Mit dem Verzicht auf die optischen Beschichtungen sollte auch das durch das Coating bedingte thermische Rauschen verschwinden. Bei Messprozessen am Quantenlimit zählt dieses Rauschen zu den wichtigsten Störquellen und setzt die Empfindlichkeit der Messung deutlich herab", so Daniel Friedrich. "Von der als Spiegel wirkenden Nano-Gitterstruktur auf Kristalloberflächen erwarten wir eine ganz neue Qualität bei Hochpräzisionsmessungen in verschiedenen Bereichen."

Die Arbeit wurde inzwischen in der Fachzeitschrift Physical Review Letters und ist im Rahmen des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs TR7 "Gravitationswellenastronomie" entstanden. Die neuartige Technik der Oberflächenbearbeitung lässt sich prinzipiell auch auf andere in der Optik verwendete Kristalle übertragen, und funktioniert bei entsprechender Wahl der Strukturgrößen auch mit sichtbarem Licht. Die Wissenschaftler hatte zunächst Silizium und infrarotes Laserlicht der Wellenlänge 1550 Nanometer gewählt, da diese Parameter gute Kandidaten für zukünftige Interferometer in den erdgebundenen Gravitationswellendetektoren sind.

Ein Großteil der Technologien, die heute weltweit in Gravitationswellendetektoren eingesetzt werden, sind am Gravitationswellendetektor GEO600 in Ruthe bei Hannover entwickelt worden. Die Herstellung des nano-strukturierten Siliziumspiegels erfolgte an der Friedrich-Schiller-Universität Jena, sein Design und seine Charakterisierung in enger Zusammenarbeit mit den hannoverschen Arbeitsgruppen, die an GEO600 arbeiten. Der Erfolg dieser Kooperation belegt erneut die Rolle von GEO600 als einzigartigem Think Tank der internationalen Gravitationswellenforschung.

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