Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Licht auf Metallplatten gespeichert wird

02.03.2005


Kleine Löcher bieten überraschende Einsichten


Der Beweis der Relativitätstheorie 1919 war eigentlich eine Ausnahme. Vieles von dem, was Einstein erdachte, ließ sich mit damaligen Mitteln nicht realisieren oder überprüfen: Sei es das Prinzip des Lasers, das Bose-Einstein- Kondensat oder die in einem sich schnell bewegenden Objekt anders verlaufende Zeit. Ähnlich verlief es mit der Nahfeldmikroskopie. Einstein spielte dabei eine kleinere Rolle, das Hauptverdienst ist Edward Hutchinson Synge zuzuschreiben. In einem Brief an Einstein spekulierte der Physiker darüber, dass es möglich sein müsste, Objekte abzubilden, die kleiner sind als die Wellenlängen des dazu benutzten Lichts. Dazu müsste man eine Vorrichtung haben, die so winzig kleine Löcher aufweist, dass keine Lichtwelle durchpasst. Damals, 1928, ein Ding der Unmöglichkeit. Heute ist es Routine für die Forscher, mit solch winzigen Löchern Experimente zu machen. An vorderster Forschungsfront steht dabei die Arbeitsgruppe um Christoph Lienau vom Max-Born-Institut, welche die ungewöhnlichen Eigenschaften von „Oberflächenplasmonen“ untersucht. Lienau: „Das Forschungsthema ist brandheiß.“

Licht, das um die Ecke biegt. Metalle, die Licht für eine gewisse Zeit speichern. Löcher, die Lichtwellen durchlassen, obwohl die Wellen zu groß dafür sind: Was für die meisten Menschen widersprüchlich klingt, das ist in der Arbeitsgruppe von Dr. Christoph Lienau Alltag. Sein Kollege Claus Ropers und er arbeiten am Max-Born-Institut mit ultrakurzen Lichtpulsen, die sie auf Lochplatten schießen. Dabei treten interessante Effekte auf.


Das Laserlicht breitet sich entlang der Metalloberfläche aus und regt Elektronen zum Schwingen an. Dadurch entsteht ein eigenartiger Zustand auf der Oberfläche, der dazu führt, dass Licht für eine kurze Zeit an der Oberfläche gespeichert wird – und zwar an der Vorderseite ebenso wie an der Rückseite der Lochplatten. Die Experten sprechen davon, dass Oberflächenplasmonen erzeugt werden. Der Lichtpuls dringt daher nur mit einer zeitlichen Verzögerung durch die Löcher und verändert dabei auch seine Struktur. Man kann sich das wie ein Nudelsieb vorstellen, in das man einen großen Schwall Wasser kippt. Der „Wasserpuls“ geht nicht sofort durch die Löcher, sondern füllt zunächst erst einmal das Sieb. Christoph Lienau ist zwar nicht ganz glücklich mit dem Vergleich des Reporters, doch die Quantenoptik lässt sich eben nur schwer in anschauliche Worte zu fassen.

Schon die Kürze der Pulse, zehn Femtosekunden, kann sich kein Mensch vorstellen. Eine Femtosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zu 31,7 Millionen Jahren. Diese kurzen Pulse erzeugt ein Kollege Lienaus am MBI, Günter Steinmeyer, mit speziellen Spiegeln (Verbundjournal vom März 2004). Die Pulse haben eine ganz charakteristische Struktur: Auf einer Zeitskala dargestellt sieht man zunächst einige kleine Wellen, dann einen ganz scharfen Zacken – den Laserpuls – gefolgt von einigen kleineren Zacken (Bild). „Diese Zeitstruktur ändert sich nach dem Durchlaufen der Lochplatten“, berichtet Lienau. „Das Licht wird für einige hundert Femtosekunden auf der Metalloberfläche gespeichert.“ Ähnliche Effekte seien auch bei photonischen Kristallen zu erwarten.
In einer demnächst in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erscheinenden Arbeit haben Ropers und Lienau nun einen Weg gefunden, um einen Lichtpuls in einer zweidimensionalen Struktur (auf der durchlöcherten Metalloberfläche) einzufangen und seine Lebensdauer zu verlängern. „Das ist sehr wichtig“, betont Lienau. Denn die Versuchsanordnung ergibt einen ganz speziellen Lichtpuls, dessen Struktur sehr genau vermessen werden kann. „Wir vermuten, dass schon wenige fremde Moleküle auf der Metalloberfläche die zeitliche Form des Lichtimpulses verändern werden“, sagt Lienau, „weshalb wir uns vorstellen können, dass der Effekt für den Nachweis von winzigsten Stoffmengen genutzt werden könnte.“ Das Stichwort lautet Nanosensorik. Mit einer Änderung des Winkels zwischen Metallplatte und Lichtstrahl gelingt es sogar, die Verweildauer des Lichts quasi einzustellen. Lienau: „Es sieht so aus, als hätten wir hierfür einen neuen Schalter gefunden.“

Damit nicht genug. Mit Hilfe von Oberflächenplasmonen lässt sich Licht auf allerkleinstem Raum lokalisieren. Entscheidend ist nicht mehr die Wellenlänge des Lichts, sondern der Durchmesser der Löcher. „Wir können damit die Auflösungsbegrenzung von Lichtmikroskopen umgehen“, sagt Lienau. Vor gut 130 Jahren hatte Ernst Abbe in Jena seine bis heute gültige Theorie der mikroskopischen Auflösung formuliert. Demnach begrenzt die Wellennatur des Lichts die räumliche Auflösung optischer Verfahren: Was kürzer ist als eine Lichtwelle, kann nicht mehr abgebildet werden. 55 Jahre nach Abbe legte E. H. Synge dann die Grundlagen für die optische Nahfeldmikroskopie. Doch damals gab es weder Laser, noch die Möglichkeit, so winzige Löcher zu erzeugen. Heute gibt es Glasfasern mit winzigen Spitzen, die den Zweck erfüllen. Und die beleuchteten Löcher in den Platten, wie sie Lienaus Gruppe erzeugt.

Ein dritter Effekt ist ebenfalls interessant: Mit Oberflächenplasmonen lassen sich extrem kurze Lichtwellenlängen erzeugen, möglicherweise sogar so kurz wie die von Röntgenstrahlen. „Wir können wenige Nanometer große Lichtflecken machen, wenn man so will eine Art Röntgenmikroskopie auf einfache Weise“, sagt Lienau. Wobei: Der Begriff „einfach“ ist hier relativ.

Dr. Christoph Lienau | Forschungsverbund Berlin e.V.
Weitere Informationen:
http://www.fv-berlin.de

Weitere Berichte zu: Femtosekunde Lichtpuls Lichtwelle Oberflächenplasmon

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Methode zur Charakterisierung von Graphen
30.05.2017 | Universität Basel

nachricht Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht
29.05.2017 | Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Detaillierter Blick auf molekularen Gifttransporter

Transportproteine in unseren Körperzellen schützen uns vor gewissen Vergiftungen. Forschende der ETH Zürich und der Universität Basel haben nun die hochaufgelöste dreidimensionale Struktur eines bedeutenden menschlichen Transportproteins aufgeklärt. Langfristig könnte dies helfen, neue Medikamente zu entwickeln.

Fast alle Lebewesen haben im Lauf der Evolution Mechanismen entwickelt, um Giftstoffe, die ins Innere ihrer Zellen gelangt sind, wieder loszuwerden: In der...

Im Focus: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Center Smart Materials CeSMa erhält SilverStar Förderpreis 2017 für innovativen Druckmessstrumpf

30.05.2017 | Förderungen Preise

Alternative Nutzung von Biogasanlagen – Wachse aus Biogas für die Kosmetikindustrie

30.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Detaillierter Blick auf molekularen Gifttransporter

30.05.2017 | Biowissenschaften Chemie