Perfekter Siliziumspiegel für Messung am Quantenlimit

02.06.2010: Wissenschaftler aus Hannover und Jena haben eine neue Methode entwickelt, die einen Siliziumkristall zum perfekten Spiegel macht: Sie haben in seine Oberfläche ein speziell strukturiertes Nano-Gitter geätzt. 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 auf den Gebieten der Quantenmechanik und der Gravitationswellenforschung.

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 herkömmlich ein geschliffener Kristall oder poliertes Quarzglas mit mehreren Schichten optisch unterschiedlicher Materialien bedampft (mit einem sog. „Coating“). 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“). 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 Frank Brückner.

Die im Experiment erreichte Reflektivität beträgt exakt 99,8%, aber bis zu 100% sind theoretisch möglich. Glatt poliert würde ein Siliziumkristall die Infrarotstrahlung unter senkrechtem Einfall nur bis zu 30% 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 im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht und ist im Rahmen des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs TR7 „Gravitationswellenastronomie“ entstanden.

Originalveröffentlichung: Frank Brückner et al.; "Realization of a Monolithic High-Reflectivity Cavity Mirror from a Single Silicon Crystal"; Phys. Rev. Lett. 104, 163903 (2010)