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Der „Unsichtbarkeit“ auf der Spur: Physiker der TU Graz untersucht Elektronenwolken

16.10.2012
Kollektiv schwingende Elektronenwolken an metallischen Oberflächen, sogenannte Plasmonen, lassen die faszinierende Vorstellung von „Unsichtbarkeit“ ein Stück realer werden.

Der Physiker Franz Schmidt untersucht in seiner Dissertation im Rahmen von NAWI Graz die Grundlagen plasmonischer Anregungen in metallischen Nanostrukturen und hat eine neue Variante entdeckt: die dunkle, atmende Mode – Mode bezeichnet die angeregte Schwingung. Sie ist für Licht „unsichtbar“ und nur mittels Elektronenstrahl auszulösen.


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

NAWI Graz/Ditlbacher

Das Fachjournal „Nanoletters“ publizierte die Arbeit des Grazer Nachwuchswissenschafters der sowohl an der TU Graz als auch an der Uni Graz forscht, in seiner jüngsten Ausgabe.

Die Plasmonik hat ein reiches Anwendungspotential: Abgesehen von der schnelleren Datenübertragung in der Chipindustrie gibt es auch in der Sensorik und der Medizintechnik spannende Möglichkeiten. In letzterer ist eine Krebsbekämpfung denkbar, indem Patienten metallumhüllte Nanopartikel injiziert werden, die sich an Krebszellen heften und diese zerstören.
Und es kann noch einen großen Schritt weiter in die Zukunft gehen: Mithilfe von Metamaterialien – das sind künstlich erzeugte Materialien, die gewisse in der Natur nicht vorkommende optische Eigenschaften haben – 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 Dissertant Franz Schmidt.

Dem Licht verborgen

Im Zuge seiner Dissertation im Rahmen von NAWI Graz ist der junge 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. Und 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.
Plasmonik: Licht und Elektronen kombiniert

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
Vom Musiker zum Physiker

Geboren 1984 in Graz, widmete sich Franz Schmidt nach der Matura zunächst dem Konzertfach Klarinette in Wiener Neustadt. Ein Jahr später folgte der Wechsel an die TU Wien, wo er Technische Physik inskribierte. Während des Studiums war er als Projektassistent am Institut für Angewandte Physik im Bereich Oberflächenphysik tätig. Für das Doktoratsstudium kehrte Franz Schmidt 2010 nach Graz zurück, wo er seither sowohl am Institut für Elektronenmikroskopie an der TU Graz und am Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz an seinem FWF-geförderten Dissertationsprojekt forscht.

Die Publikation “Dark Plasmonic Breathing Modes in Silver Nanodisks” ist zu finden unter http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl3030938?prevSearch=schmidt&searchHistoryKey=
Rückfragen:
Dipl.-Ing. Franz-Philipp Schmidt
Institut für Elektronenmikroskopie und Feinstrukturforschung
Tel: +43 (0) 650 9871235
E-Mail: franz.schmidt@felmi-zfe.at

Alice Senarclens de Grancy | Technische Universität Graz
Weitere Informationen:
http://www.felmi-zfe.at

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