Lichtstrudel im Attosekundentakt

  • 17. March 2017

Neuer Ansatz für die Übertragung großer Datenmengen per Glasfaserkabel.

Mit Licht große Daten­mengen übertragen und sogar Materie bewegen, das sind Zukunfts­visionen von Physikern, die sich mit Plasmonik beschäf­tigen. Wissen­schaftlern vom Center for Nano­integration CENIDE der Univer­sität Duisburg-Essen ist es in Kooperation mit Kollegen aus Haifa, Kaisers­lautern und Stuttgart gelungen, nanometer­kleine Lichtstrudel auf einer Metall­oberfläche zu erzeugen und sie im Takt von Atto­sekunden zu filmen.

Abb.: Illustration der spiralförmigen Bewegung einer durch Licht angeregten Elektronenwelle auf einer Metalloberfläche. (Bild: Univ. Stuttgart)

Abb.: Illustration der spiralförmigen Bewegung einer durch Licht angeregten Elektronenwelle auf einer Metalloberfläche. (Bild: Univ. Stuttgart)

Dazu haben Forscher der Univer­sität Stuttgart ein­kristalline Gold­inselchen angefertigt und per fokus­sierter Ionenstrahl-Litho­graphie eine Windung einer Archi­medischen Spirale in die Ober­fläche geritzt. Beschießt man diese mit einem Femto­sekunden-Laserpuls, so nehmen die entstehenden Plasmonen genau diese Form an und rotieren in der Zeit als Spirale auf der Gold­oberfläche. Zu Abbildung bedienen sich die Wissen­schaftler der zeitauf­gelösten Zwei-Photonen-Photo­emissions­mikroskopie (2PPE).

Forscher der Univer­sität Kaisers­lautern und der Univer­sität Duisburg-Essen regen dazu mit einem ersten Femto­sekundenpuls das Plasmon an. In variablem Abstand von wenigen Atto­sekunden bis Femto­sekunden folgt anschließend ein zweiter Laserpuls, der konstruk­tive und destruktive Inter­ferenz detek­tiert. Vergrößert man den zeitlichen Abstand zwischen anregendem (pump) und detek­tierendem Laserpuls (probe) bei jedem Ansatz um rund 100 Atto­sekunden, so ergibt sich aus der Summe der aneinander­gefügten Bilder ein Film des ro­tierenden Plasmons.

Es zeigte sich, dass bei jeder Anregung zwei Plasmonen unter­schiedlicher Wellen­länge entstanden: Eines auf der sichtbaren Goldober­fläche und eines auf der unteren Grenz­fläche zwischen Gold und Silizium­substrat. Die untere Spirale war dabei mit einer Wellen­länge von rund 180 Nano­metern deutlich kleiner als ihr oberes Pendant (780 nm) und wurde vom Team um Frank-J. Meyer zu Hering­dorf der Univer­sität Duisburg-Essen untersucht. Ihre geringe Größe öffnet die Tür zu möglichen neuen Anwendungen in der Optik, in der es auf möglichst kleine Wellen­längen ankommt, um die Beugungs­grenze zu unter­schreiten.

Die sichere und schnelle Über­tragung großer Daten­mengen per Glasfaser­kabel ist dabei eine Option. „Wir denken aber auch schon darüber nach, Materie zu bewegen“, so Meyer zu Hering­dorf. „Dafür müsste ein Partikel im Zentrum der Spirale liegen und mit ihr inter­agieren.“ Dann könnte ein Lichtpuls aus­reichen, um ein Nano­partikel zu drehen und eine Funktion in Gang zu setzen.

UDE / JOL

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