Lichtsensor imitiert Gecko-Trick

Stanford (USA)/Madison (USA) - Sensoren für Licht stecken in Digitalkameras, Faxgeräten und Fernsteuerungen. Zuverlässig messen sie mehr oder weniger exakt die Intensität von auftreffenden Lichtwellen. Einen Schritt weiter gingen nun amerikanische Physiker von der University of Wisconsin und der Stanford University. Ihr neuartigen Lichtsensor detektierte zusätzlich zur Intensität die Richtung, aus der die Lichtwellen auftrafen. In der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ erläutern sie Aufbau und Funktionsprinzip ihres Detektors, für dessen Entwicklung sie von dem richtungsempfindlichen Hörsinn von Geckos inspiriert wurden.

Menschen und größere Tiere orten eine Geräuschquelle über die kleine Zeitdifferenz, mit dem die Schallwellen das rechte und das linke Ohr erreichen. Bei Geckos ist jedoch der Abstand der Ohren mit gut einem Zentimeter zu klein und damit die Zeitdifferenz zu kurz für diese Ortungsmethode. Daher sind die beiden Ohren über einen winzigen Tunnel im Geckokopf miteinander verbunden. In diesem überlagern sich die Schallwellen und spezifische Resonanzeffekte ermöglichen den Tieren ebenfalls eine Ortung eines Geräuschs.

Nach diesem Vorbild konzipierte das Team um Mark Brongersma von der Stanford University und seine Kollegen von der University of Wisconsin in Madison ihren neuartigen Lichtsensor. Er bestand aus zwei filigranen Nanodrähten aus Silizium, die sie in einem Abstand von etwa 100 Nanometern auf eine Unterlage aus Siliziumdioxid setzten. Grünes Licht mit einer Wellenlänge von 550 Nanometer erzeugte über den Photoeffekt wie in einer normalen Solarzelle einen kleine elektrische Ströme in den mit Goldelektroden kontaktierten Nanodrähten. Elektrisch waren die Nanodrähte voneinander isoliert, doch optisch wurden sie – vergleichbar mit der akustischen Kopplung über den Tunnel im Geckokopf – miteinander verknüpft.

Dies gelang den Forschern über die Streuung der einfallenden Lichtwellen an jedem einzelnen Nanodraht. Die gestreuten Lichtwellen zeigten Resonanzeffekte, die sich auf den photoelektrischen Strom in jedem Nanodraht auswirkten. Die Folge: Abhängig vom Einfallswinkel des Lichts unterschieden sich die Photostrom-Messungen der beiden Nanodrähte etwas voneinander. Diese winzigen Unterschiede reichten aus, um die Richtung des einfallenden Lichts bis auf ein drittel Winkelgrad genau zu bestimmen.

Mit ihrem Prototyp eines richtungsempfindlichen Lichtsensors konnten Brongersma und Kollegen erfolgreich den Ort einen grünen LED detektieren. Nun wollen die Forscher ihre Sensoren noch weiterentwickeln und nach Möglichkeit auch weitere Eigenschaften des Lichts wie Wellenlänge oder Polarisation nachweisen. Anwendungen sehen sie beispielsweise in Lichtsensoren für autonome Fahrzeuge oder in der Robotik.