Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein "Ultramikroskop" für Nanostrukturen - Konzept zur Beobachtung ultraschneller Vorgänge

04.09.2007
Metallische, aus nur einigen tausend Atomen bestehende Nanostrukturen weisen optische und elektronische Eigenschaften auf, die bei ausgedehnten Festkörpern nicht vorkommen.

Die Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung, also Licht, führt in Nanopartikeln zu kollektiven kohärenten Schwingungen der Elektronen, die auch Oberflächenplasmonen genannt werden.

Ein Team von Wissenschaftlern der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching (MPQ) und der Georgia State University (Atlanta, USA), hat jetzt in der Fachzeitschrift "Nature Photonics" ein neuartiges Mikroskop vorgeschlagen, das es erstmals ermöglichen würde, die ultraschnelle Dynamik dieser plasmonischen Felder mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu beobachten. Von einem besseren Verständnis dieser kollektiven Anregungen würden insbesondere Anwendungen in der optischen und optoelektronischen Informationsverarbeitung, -übertragung und -speicherung profitieren. Ebenso würde das Ultramikroskop die Spektroskopie einzelner (Bio)moleküle erleichtern, bei denen Nanopartikel als Antenne die Wechselwirkung mit Licht verstärken.

Ohne es zu wissen, nutzten schon die Hersteller von gefärbten gläsernen Gefäßen im antiken Rom beziehungsweise von Kirchenfenstern im Mittelalter die besonderen Eigenschaften metallischer Nanopartikel aus. Indem sie der Glasschmelze Goldstaub zusetzten, verliehen sie den Gläsern eine rötlich schimmernde Farbe. Heute wissen die Fachleute, auf welche Vorgänge dieser Effekt zurückgeht. Nanopartikel, also Teilchen mit einer Ausdehnung von einigen wenigen bis 100 Nanometern - das ist kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes von etwa 400 - 800 Nanometern - bestehen aus nur einigen tausend Atomen. Wenn sichtbares Licht auf so ein Partikel fällt, sind die im Metall frei beweglichen Leitungselektronen dem elektrischen Lichtfeld ausgesetzt und werden verschoben.

Da die Struktur sehr klein ist, kommen sie aber nicht sehr weit, sondern stauen sich mal auf der einen, mal auf der anderen Seite. Auf diese Weise kommt es zu synchronisierten kohärenten Schwingungen des gesamten Elektronenkollektivs. Solche Schwingungen haben gewissermaßen Teilcheneigenschaften und werden daher auch Oberflächenplasmonen genannt. Die rötliche Farbe in antiken römischen Gefäßen und alten Kirchenfenstern basiert darauf, dass ein Teil des sichtbaren Spektrums von den Goldnanopartikeln "verschluckt" und in Plasmonen umgewandelt wird, so dass das durchscheinende Restlicht in den Komplementärfarben leuchtet.

"Plasmonen erzeugen sehr hohe elektromagnetische Felder am Ort und in der unmittelbaren Umgebung des Nanoteilchens", erläutert Dr. Matthias Kling, Nachwuchsgruppenleiter am MPQ. "Aber wie sich diese Plasmonenfelder auf- und wieder abbauen, ist noch nicht im Detail verstanden. Die schnellsten dieser kollektiven Bewegungen spielen sich innerhalb von einigen hundert Attosekunden ab, wobei eine Attosekunde ein Milliardstel von einem Milliardstel einer Sekunde ist. Sie gehören damit zu den kürzesten in der Natur zu beobachtenden Prozessen."

Ein neuartiges Verfahren, die Dynamik plasmonischer Felder mit höchster Genauigkeit zeitlich aufzulösen und räumlich abzubilden, hat nun der theoretische Physiker Professor Mark Stockman von der Georgia State University (Atlanta, Georgia, USA) gemeinsam mit Experimentalphysikern der LMU und des MPQ erarbeitet. In ihrem Modell simulieren die Wissenschaftler zunächst eine Anordnung von Silber-Nanopartikeln auf einer Oberfläche, die mit extrem kurzen, nur einige Femtosekunden währenden Pulsen beschossen werden. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Unter der Einwirkung eines Lichtpulses aus nur wenigen Schwingungsperioden entstehen Plasmonenfelder, deren Amplituden und Eigenfrequenzen - sie liegen zwischen nahem Infrarot und nahem Ultraviolett - von der Größe, Form und Umgebung des jeweiligen Nanoteilchens abhängen. Die Dynamik der Plasmonen wird nun "abgefragt", indem ein mit der Anregung synchronisierter, etwa 170 Attosekunden langer Laserpuls, dessen Frequenz im Extremen Ultraviolett liegt, auf die Nanostruktur geschickt wird und dort Elektronen freisetzt. Die Energie und räumliche Verteilung dieser so genannten Photoelektronen spiegelt die Eigenschaften der Plasmonen wider, da sie zuvor in deren Feld beschleunigt wurden.

"Bei dem hier vorgelegten Konzept kombinieren wir zwei Verfahren, die jedes für sich bereits Stand der Technik sind: Die "Photoelektronen-Emissionsmikroskopie", kurz PEEM genannt, und die Attosekunden-Streak-Spektroskopie", erklärt Professor Ulf Kleineberg von der LMU. "Wir erhalten dabei eine räumliche Auflösung, die in der Größenordnung der Ausdehnung der Nanopartikel liegt, also einige zehn bis hundert Nanometer beträgt, und erreichen gleichzeitig aufgrund der extrem kurzen Dauer der Attosekundenblitze eine zeitliche Auflösung von etwa hundert Attosekunden. Dieses Messverfahren legt die Grundlage, in Zukunft den Aufbau und die zeitliche Entwicklung dieser Felder zu messen und durch maßgeschneiderte Lichtpulse gezielt zu steuern."

Generell würde dieses nanoplasmonische Ultramikroskop erstmals die direkte Beobachtung ultraschneller Prozesse in Nanosystemen ermöglichen, wie etwa die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Die Autoren sehen aber zukünftige Anwendungen dieser Technik vor allem in der Entwicklung von neuartigen Bauelementen, bei denen lokalisierte nanoplasmonische Felder die Aufgaben von Elektronen in der konventionellen Elektronik übernehmen, also Informationen übertragen, verarbeiten und speichern. Der Vorteil läge darin, dass Plasmonen in diesen Nanosystemen Informationsverarbeitung und -übertragung mit sehr viel größeren Frequenzen - etwa 100.000-fach - erlauben als Elektronen in Festkörpern. Auf diese Weise ließen sich vielleicht zukünftig extrem schnelle optoelektronische und optische Systeme für die Informationsverarbeitung realisieren."

Publikation:
"Attosecond nanoplasmonic field microscope", M.I. Stockman, M.F. Kling, U. Kleineberg and F. Krausz

Nature Photonics, advance online publication, 3. September 2007

Ansprechpartner:
Professor Dr. Ferenc Krausz
Department für Physik der LMU
Geschäftsführender Direktor, Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: 089 / 32905 612
Fax: 089 / 32905 649
E-Mail: ferenc.krausz@mpq.mpg.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.munich-photonics.de
http://www.attoworld.de

Weitere Berichte zu: Attosekunde Nanopartikel Nanostruktur Plasmonen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenkommunikation in freier Luft nimmt Fahrt auf
24.07.2017 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

nachricht Neue Harmonien in der Optoelektronik
21.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

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: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Recherche-Reise zum European XFEL und DESY nach Hamburg

24.07.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu Sprachdialogsystemen und Mensch-Maschine-Kommunikation in Saarbrücken

24.07.2017 | Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Power-to-Liquid: 200 Liter Sprit aus Solarstrom und dem Kohlenstoffdioxid der Umgebungsluft

24.07.2017 | Energie und Elektrotechnik

Innovationsindikator 2017: Deutschland auf Platz vier von 35, bei der Digitalisierung nur Rang 17

24.07.2017 | Studien Analysen

Netzwerke statt Selbstversorgung: Wiesenorchideen überraschen Bayreuther Forscher

24.07.2017 | Biowissenschaften Chemie