Mit der dunklen, atmenden Mode der "Unsichtbarkeit" auf der Spur

27. Oktober 2012, 18:36
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Grazer Physiker erforscht Grundlagen der Plasmonik und entdeckt dabei neue Variante

Kollektiv schwingende Elektronenwolken an metallischen Oberflächen, sogenannte Plasmonen, könnten in Zukunft die Basis von "Unsichtbarkeits"-Technologien bilden. Der Physiker Franz Schmidt untersucht derzeit an der Uni Graz und der TU Graz die Grundlagen plasmonischer Anregungen in metallischen Nanostrukturen und hat dabei eine neue Variante entdeckt: die dunkle, atmende Mode (Dark Plasmonic Breathing Mode) – Mode bezeichnet in diesem Zusammenhang die angeregte Schwingung. Sie ist für Licht gleichsam "unsichtbar" und nur mittels Elektronenstrahl auszulösen. Das Fachjournal "Nanoletters" publizierte die Arbeit des Grazer Wissenschafters in seiner jüngsten Ausgabe.

Die Plasmonik hat ein reiches Anwendungspotential: Abgesehen von der schnelleren Datenübertragung in der Chipindustrie eröffnet sie auch in der Sensorik und der Medizintechnik spannende Möglichkeiten. Beispielsweise ist eine Krebsbekämpfung denkbar, indem Patienten metallumhüllte Nanopartikel injiziert werden, die sich an Krebszellen heften und diese zerstören. Aber es kann noch einen großen Schritt weiter in die Zukunft gehen: Mit Hilfe von Metamaterialien – das sind künstlich erzeugte Materialien, die über gewisse in der Natur nicht vorkommende optische Eigenschaften verfügen – könnten natürliche Objekte von Licht "umhüllt" und so unsichtbar gemacht werden. "Bevor wir aber an diese komplexen Anwendungen denken, müssen wir die Grundlagen der schwingenden Elektronenwolken erforschen und verstehen", betont Schmidt.

Für Licht "unsichtbar"

Im Zuge seiner Dissertation im Rahmen von NAWI Graz ist der Wissenschafter gemeinsam mit Forschern der TU Graz und der Uni Graz den Plasmonen genauer auf den Grund gegangen. Die Forschergruppe hat metallische Nanostrukturen aus Silber erzeugt, also Silberpartikel in der Größe von einem Millionstel eines Millimeters. "Wir haben diese Nanostrukturen sehr aufwändig in neuartigen Verfahren hergestellt, elektronenmikroskopisch untersucht und die plasmonischen Anregungen analysiert", erklärt Schmidt. Dabei haben die Forscher den Lichtstrahl, der die Elektronen in Schwingung versetzt, durch einen Elektronenstrahl ersetzt und die ultradünne Silberstruktur durchleuchtet. Erst die Dunkelheit offenbarte ein völlig neues Plasmon: "Wie nennen sie dunkle Mode, weil sie für Licht unsichtbar ist und erst durch den Elektronenstrahl entdeckt werden konnte", so Schmidt. Den Zusatz "atmend" bekam die Mode, weil sie an eine schwingende Membran oder einen Brustkorb, der sich in der Atmung auf und ab bewegt, erinnert. Diese dunkle Atmungs-Mode wurde von den Grazern erstmals dokumentiert und trägt maßgeblich dazu bei, "Licht" in die bislang verborgen gebliebenen Regionen der Nanowelten zu bringen.

Unschlagbares Duo

Licht und Elektronen sind ein unschlagbares Duo: Licht ist schnell, braucht aber durch seine bestimmte Wellenlänge auch Platz und ist für die Energieübertragung in kleinen Anwendungen, wie etwa Mikrochips, nicht brauchbar. Elektronen sind wiederum langsamer, dafür aber auf engstem Raum steuerbar. Die Idee der Plasmonik ist es, Licht mithilfe von Elektronen in Metallen "einzusperren" und seine Energie auf engstem Raum zu bündeln – man spricht hier auch von flachem Licht im zweidimensionalen Zustand. "Trifft ein Lichtstrahl auf bestimmte Weise auf eine metallische Oberfläche, werden die dort befindlichen freien Elektronen kollektiv angeregt und in Schwingung versetzt. Diese kollektiv schwingende Elektronenwolke ist ein Plasmon und vereint die positiven Eigenschaften von Licht und Elektronen", erklärt Franz Schmidt. (red, derstandard.at, 25.10.2012)

  • Eine dunkle atmende Mode aus der Sicht des Elektronenmikroskops: Die Elektronenwolken schwingen gleich einer Atembewegung.
    grafik: nawi graz/ditlbacher

    Eine dunkle atmende Mode aus der Sicht des Elektronenmikroskops: Die Elektronenwolken schwingen gleich einer Atembewegung.

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