Oberflächenbearbeitung mit heisser Sonde

Ihr Ansatz beruht auf einer Technologie, die ebenfalls aus Zürich stammt. «Unsere Methode ist sozusagen ein Urenkel des Rastertunnelmikroskops, das die späteren Nobelpreisträger Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vor knapp vierzig Jahren in Zürich erfunden haben», sagt Norris. In einem solchen Mikroskop werden Materialoberflächen mittels einer extrem spitzen Sonde mit hoher Auflösung abgetastet. Die so entstandenen Bilder zeigen sogar einzelne Atome des Materials.

Umgekehrt kann man die spitze Sonde aber auch benutzen, um ein Material damit zu bearbeiten und so gewellte Oberflächen herzustellen (siehe Bild). Dazu heizen die Forscher die Spitze einer Rastersonde auf fast 1000 Grad Celsius und drücken sie an bestimmten Stellen in eine Polymerschicht. Dadurch brechen die Moleküle des Polymers an diesen Stellen auseinander und verdampfen, wodurch die Oberfläche präzise geformt werden kann.

Punkt für Punkt können die Wissenschaftler so beliebige Oberflächenprofile mit einer Auflösung von wenigen Nanometern in die Polymerschicht schreiben. Zum Schluss wird eine Silberschicht auf das Polymer aufgedampft und das Profil so auf ein optisches Material übertragen. Die Silberschicht kann dann vom Polymer abgelöst und als reflektierendes Beugungsgitter verwendet werden kann.

«Auf diese Weise können wir beliebig geformte Beugungsgitter mit einer Auflösung von wenigen Atomabständen in der Silberschicht herstellen», sagt Norris. Anders als bei den traditionellen kantigen Rillen sind solche Gitter sind nun keine Näherungen mehr, sondern praktisch perfekt, und sie lassen sich so formen, dass die Interferenz der reflektierten Lichtwellen präzise kontrollierbare Muster bildet.

Solche perfekten Beugungsgitter eröffnen neue Möglichkeiten der Lichtkontrolle, die zu einer Reihe von Anwendungen führen, sagt Norris: «Die neue Technik kann beispielsweise dazu verwendet werden, winzige Beugungsgitter in integrierte Schaltkreise einzubauen, mit denen optische Signale für das Internet noch effizienter gesendet, empfangen und verteilt werden können.» Lassaline fügt hinzu: «Generell können wir mit solchen Beugungsgittern stark miniaturisierte optische Geräte wie etwa Mikro-​Laser herstellen, die in einen Chip integriert sind.» Diese miniaturisierten Geräte, sagt er, reichen von ultra-​dünnen Kameralinsen bis hin zu kompakten Hologrammen mit schärferen Bildern. Sie werden voraussichtlich verschiedenste optische Technologien beeinflussen, wie etwa futuristische Handykameras, Biosensoren oder autonomes maschinelles Sehen für Roboter und selbstfahrende Autos.