Der Schlüssel zur Schwingung von Plasmonen

  • 11. April 2014

Universelle Formel kann sämtliche Schwingungsmuster der Elektronenwolken beschreiben.

Plasmonen sind Hoffnungsträger auf der Suche nach neuen Möglichkeiten zur ultraschnellen Datenübertragung im Nanoformat. Dabei handelt es sich um kollektiv schwingende Elektronenwolken an metallischen Oberflächen. Die bergen ein ungeheures Potenzial für vielfältige Anwendungen – von der Chip-Industrie über die Sensorik bis zur Medizintechnik. Voraussetzung ist, ihr Verhalten im Detail zu verstehen. Einen fundamentalen Beitrag dazu haben Wissenschafter der Universität Graz und der TU Graz geleistet. Sie fanden eine universelle Formel, mit der sich sämtliche Schwingungsmuster von Plasmonen berechnen lassen.

Abb.: Elektronenenergieverlust-Bilder zeigen Schwingungsmuster unterschiedlicher plasmonischer Anregungen einer Silber-Nanoscheibe mit 200 Nanometern Durchmesser. (Bild: NAWI Graz)

Abb.: Elektronenenergieverlust-Bilder zeigen Schwingungsmuster unterschiedlicher plasmonischer Anregungen einer Silber-Nanoscheibe mit 200 Nanometern Durchmesser. (Bild: NAWI Graz)

Plasmonen entstehen, wenn ein Lichtstrahl in einer bestimmten Weise auf metallische Nanostrukturen trifft und die Elektronen an deren Oberfläche kollektiv in Schwingung versetzt. Ihr Potenzial liegt darin, dass sie die positiven Eigenschaften von Licht und Elektronen vereinen. Licht ist ein schnelles „Transportmittel“, braucht jedoch aufgrund seiner Wellenlänge viel Raum und ist daher für die Energieübertragung im Nanobereich nicht geeignet. Elektronen hingegen sind langsam, dafür aber in stark miniaturisierten Anwendungen, wie zum Beispiel Computer-Chips, steuerbar. „Plasmonen kombinieren die optischen und elektronischen Vorteile: Sie können viele Informationen auf engstem Raum mit Lichtgeschwindigkeit übertragen“, erklärt Joachim Krenn, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Nano-Optik am Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz.

Abb.: Elektronenmikroskop ASTEM (Austrian Scanning Transmission Electron Microscope): Untersuchung von optischen, plasmonischen Anregungen auf metallischen Nanostrukturen mit Subnanometer-Auflösung. (Bild: NAWI Graz)

Abb.: Elektronenmikroskop ASTEM (Austrian Scanning Transmission Electron Microscope): Untersuchung von optischen, plasmonischen Anregungen auf metallischen Nanostrukturen mit Subnanometer-Auflösung. (Bild: NAWI Graz)

Er hat mit seinem Team sowie in enger Kooperation mit den Forschungs-gruppen um Ulrich Hohenester aus der Theoretischen Nano-Physik der Karl-Franzens-Universität und Ferdinand Hofer, Leiter des Instituts für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik (FELMI) der TU Graz, den Schlüssel zum Schwingungsverhalten von Plasmonen entdeckt. Die Wissenschafter konnten erstmals zeigen, dass dieses einer ganz bestimmten Ordnung folgt. Es verhält sich analog zur Systematik von akustischen Schwingungen, die Ernst Florens Friedrich Chladni im 18. Jahrhundert beschrieb, bekannt als „Chladnische Klangfiguren“. „Sind Umfang und Durchmesser von Nanopartikeln bekannt, lassen sich die opto-elektronischen Schwingungen an deren Oberfläche mit einer einfachen Formel berechnen“, fasst Ulrich Hohenester zusammen. Dieses Wissen ist entscheidend für die Konstruktion effizienter miniaturisierte Bauteile in verschiedenen technologischen Anwendungen.

U. Graz / PH

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