Kurzfassung

Photonische Kristalle

Florian Kotzur, Stefan Krumpen

Ein Photonischer Kristall besteht aus periodisch angeordneten dielektrischen Strukturen, welche die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen und damit auch die von Licht gezielt beeinflussen. Vorbilder für Photonische Kristalle liefert die Natur. So entsteht die schillernde Farbenpracht eines Opals nicht durch Farbpigmente, sondern durch Nanometer große Kugeln aus Cristobalit, die regelmäßig in der Kieselgelmasse des Opals eingelagert sind. Vor wenigen Jahren gelang es Forschern erstmals einen Photonischen Kristall für Licht im Labor herzustellen. Von diesem sich neu auftuendem Zweig der Festkörperphysik verspricht man sich die Entwicklung von zahlreichen neuen Produkten, wie z. B. hocheffiziente Lichtquellen, miniaturisierte Wellenleiter, perfekte dielektrische Spiegel sowie von neuen Bauelementen für die Nanooptik bis hin zum Bau von optischen Chips für die Verwendung in schnelleren optischen Computern, die mit Photonen statt Elektronen arbeiten. Obwohl selbst die Profis die meisten Probleme noch nicht gelöst haben, wollten wir es trotzdem probieren, in der Schule mit einfachen Mitteln in das Gebiet einzusteigen. Dazu haben wir zunächst Versuche im akustischen Bereich gemacht. Wir haben einen akustischen Kristall gebaut und mit ihm gezielt eine Bandlücke in einem Frequenzbereich um 8kHz erzeugt (Abb. 1 und 2).

Versuchsaufbau mit akustischem Kristall

Abb. 1 Versuchsaufbau mit akustischem Kristall

Akustische Bandlücke bei ca. 8kHz

Abb. 2 Akustische Bandlücke bei ca. 8kHz

Nachdem wir es geschafft hatten, einen akustischen Kristall mit einer Bandlücke zu bauen, haben wir auch einen Kristall für Mikrowellen gebaut. Mit diesem Mikrowellenkristall ist es uns gelungen, durch gezielt eingebaute Defekte Mikrowellen - ähnlich wie bei den Photonischen Kristallen der Profis (Abb. 3) - auf kleinstem Raum umzulenken (Abb. 4) und auszukoppeln.

Photonischer Kristall mit Defekt

Abb. 3 Photonischer Kristall mit Defekt

Unser Mikrowellenkristall mit gezieltem Defekt

Abb. 4 Unser Mikrowellenkristall mit gezieltem Defekt

Diese erfolgreich durchgeführten Versuche machten uns Mut, uns auch an die äußerst schwierige Herstellung von Photonischen Kristallen für Licht zu wagen. Nach vielen Versuchen und verzweifelten Momenten ist es uns schließlich gelungen, einen Photonischen Kristall mit schulischen Mitteln herzustellen, bei dem eine photonische Bandlücke nachzuweisen war (Abb. 5, 6 und 7).

Von uns hergestellte SiO2 Kugeln im nm-Bereich

Abb. 5 Von uns hergestellte SiO2 Kugeln im nm-Bereich unter dem EM

Unser erster in der Schule hergestellter Photonischer Kristall

Abb. 6 Unser erster in der Schule hergestellter Photonischer Kristall

Nachweis der photonischen Bandlücke

Abb. 7 Nachweis der photonischen Bandlücke

Miniforschung - St. Michael-Gymnasium Bad Münstereifel