Forscher vom MPI für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg und dem Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA haben eine grund­legend neue Art von quanten­elektro­nischen Schwingungen – Plasmonen – in atomar dünnen Materialien entdeckt. Ihre Erkennt­nisse könnten für zukünftige Imaging-Methoden und photo­chemische Reaktionen auf der Nano­skala relevant sein.

Vor fast siebzig Jahren zeigten Wissen­schaftler, dass Elektronen in Materialien wellen­artige, sich fort­setzende Schwingungen aufrecht­erhalten können, Plasmonen genannt. Heut­zutage befasst sich eine dynamische Plasmonen­forschung mit diesen elektro­nischen Schwingungen, deren Anwendungen für neue, schneller Computer­chips, Solar­zellen, Bio­sensoren und sogar Krebs­therapien relevant sind.

Plasmonen werden stark von der Geometrie ihrer Umgebung und dem Material, in dem sie erzeugt werden, beein­flusst und lassen sich dadurch für verschiedenste Zwecke steuern. Es war bislang jedoch nicht bekannt, wie sich Plasmonen in einen Extremfall verhalten – nämlich, wenn diese Materialien nur wenige Atom­lagen dick sind.

Das internationale Forschungsteam fokussierte sich auf die Eigen­schaften von Plasmonen in solchen Materialien. Durch Quanten­berechnungen entdeckten die Wissen­schaftler, dass Plasmonen in allen atomar dünnen Materi­alien merk­würdige Verhaltens­weisen an den Tag legen. Das war anfäng­lich über­raschend für die Forscher. „Die Lehr­buch­physik sagt uns, dass sich Plasmonen in drei­dimen­sional ausge­dehnten Fest­körpern anders verhalten als in zwei­dimen­sio­nalen Materi­alien“, sagt Team-Mitglied Felipe da Jornada vom LBNL. „Aber anders als in diesen verein­fachten Modellen weisen Plasmonen in allen echten, atomar dünnen Materi­alien ein noch anderes Verhalten auf und sind räumlich insgesamt sehr viel lokali­sier­barer.“ Diese Unter­schiede exis­tieren, weil in echten atomar dünnen Materi­alien alle anderen nicht­leitenden und nicht­schwingenden Elektronen diese Plasmonen abschirmen, was zu gänzlich anderen Energie-Impuls-Beziehungen für diese Anregungen führt.

Weitere Ergebnisse dieser Unter­suchung zeigen, dass die Plasmonen in Systemen wie atomar dünnem TaS₂ sehr lange stabil bleiben können und bei typischen experi­men­tellen Bedingungen sehr langsam sind. Das weist darauf hin, dass sich Plasmonen in atomar dünnen Materi­alien mit momentan verfüg­baren experi­men­tellen Methoden räum­lich stark lokali­sieren lassen und die Inten­sität des Lichts um einen Faktor von mehr als 10⁷ erhöhen könnten.

„Diese Forschungs­ergebnisse sind für viele Anwendungen relevant,“ sagt Ángel Rubio, Direktor der MPSD-Theorie­abteilung, „von der Ermög­lichung chemischer Reaktionen durch Katalyse mit Licht bis hin zur Bio­sensorik und Einzel­molekül­spektro­skopie.“

MPSD / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. H. da Jornada et al.: Universal slow plasmons and giant field enhancement in atomically thin quasi-two-dimensional metals, Nat. Commun. 11, 1013 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-14826-8
• Abt. Theorie (M. Rubio), Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg
• Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA