Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Licht auf atomaren Dimensionen

26.09.2012
Physikern der Universität Würzburg ist es gelungen, Licht auf einen unvorstellbar kleinen Bereich zu konzentrieren. Geholfen hat ihnen dabei ein Effekt, der auch dann auftritt, wenn Kaffee verschüttet wird.
Sichtbares Licht ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der für unsere alltägliche Wahrnehmung am wichtigsten ist. Dass unsere Umwelt farbig ist und dass wir diese Farben wahrnehmen können, ist der charakteristischen Wechselwirkung von sichtbaren Photonen mit Materie zu verdanken.

Aus dieser Wechselwirkung lassen sich Rückschlüsse über die Beschaffenheit der Materie ziehen, weswegen die optische Mikroskopie eine herausragende Stellung bei der Erkundung des Nanokosmos einnimmt. Licht spielt außerdem eine wichtige Rolle in der Datenspeicherung, bekannt von DVD und Blue-Ray-Medien, und bei der optischen Datenübertragung und -verarbeitung im Internet.

Auf die räumliche Konzentration kommt es an

In allen genannten Bereichen ist die räumliche Konzentration von sichtbarem Licht auf einem möglichst kleinen Bereich von entscheidender Bedeutung. Je stärker diese Konzentration oder Bündelung des Lichts, beispielsweise in der optischen Mikroskopie, desto höher ist die Auflösung und desto kleiner sind die Strukturen, die sich untersuchen lassen. In der optischen Datenverarbeitung ermöglicht sie eine zunehmende Miniaturisierung und Integration und damit höhere Übertragungsraten.

Künstlerische Darstellung zweier Goldnanostäbchen mit einem stark lokalisierten Lichtfeld im atomar-kleinen Luftspalt.

Grafik: Thorsten Feichtner

„Unglücklicherweise sind der räumlichen Konzentration von Licht im freien Raum durch Beugungseffekte natürliche Grenzen gesetzt“, sagt Professor Bert Hecht. „Beugung begrenzt die räumliche Auflösung in der Mikroskopie und die Speicherdichte optischer Medien, wenn man nur klassische Bauelemente wie Linsen und Spiegel einsetzt.“ Der Physiker und die Mitglieder seiner Arbeitsgruppe am Lehrstuhl für Experimentelle Physik 5 suchen deshalb schon lange nach Wegen, Licht auf möglichst kleine Bereiche zu konzentrieren. Gemeinsam mit Kollegen der Technischen Physik ist ihnen nun ein Durchbruch gelungen.

Mut zur (atomaren) Lücke

„Wir haben es geschafft, Licht mit Hilfe plasmonischer Nanostrukturen auf atomare Dimensionen zu bündeln“, erklärt Hecht. Plasmonische Nanostrukturen: So bezeichnen Physiker Strukturen, in denen frei bewegliche, negativ geladene Elektronen resonante Schwingungen vor dem Hintergrund der positiv geladenen, ortsfesten Atomrümpfen vollführen. Durch diese Schwingung werden an der Oberfläche der Strukturen periodisch wechselnde Ladungsüberschüsse erzeugt, welche ihrerseits wiederum elektrische Wechselfelder erzeugen. „Da diese Wechselfelder mit der optischen Frequenz ihr Vorzeichen wechseln, handelt es sich um oberflächengebundene Lichtfelder“, so der Physiker.

Wie das renommierte Fachblatt „NanoLetters“ in seiner neuesten online-Ausgabe berichtet, konnte die Arbeitsgruppe um Bert Hecht nun erstmals in einem Experiment solche oberflächengebundenen Felder gezielt in der äußerst schmalen Lücke zwischen zwei benachbarten plasmonischen Nanostrukturen aus Gold lokalisieren. Die Lücke hat dabei die kleinstmögliche Breite, die in etwa dem Abstand zweier Atome im Goldkristall entspricht. Das entspricht einem Lichtfleck, der 1000-mal kleiner als die entsprechende Lichtwellenlänge ist.

Die in diesem Experiment benötigten Nanostrukturen haben die Physiker durch einen denkbar simplen Prozess hergestellt. Zum Einsatz kamen chemisch gewachsenen Goldstäbchen, jedes nur etwa 30 Nanometer im Durchmesser und etwa 70 Nanometer lang – ein Nanometer entspricht dem Millionsten Teil eines Millimeters. Diese Stäbchen wurden in Wasser aufgelöst und dann auf einen Glasträger aufgetropft. Durch einen Effekt, wie er auch bei der Bildung von Kaffeerändern auftritt, entstehen durch Selbstorganisation am Tropfenrand unter anderem Paare von seitlich aneinandergelagerten Gold-Nanostäbchen, die sich beim Verdampfen der Flüssigkeit bis auf einen atomar kleinen Spalt angenähert haben.

In ihren Experimenten haben die Würzburger Forscher diese Stäbchenpaare mit weißem Licht beleuchtet und die Farben des gestreuten Lichtes untersucht. Aufgrund der charakteristischen spektralen Lage der Farbanteile im Streulicht konnten die Forscher auf resonante Schwingungszustände der Elektronen und somit auf eine Konzentration des Lichtes im Spalt zwischen den Goldstäbchen zurückschließen.

Mögliche Anwendungen

„So stark konzentrierte Lichtfelder haben eine Vielzahl potenzieller Anwendungen“, erklärt Johannes Kern, Doktorand in der Gruppe von Bert Hecht und Erstautor der Veröffentlichung. „Eine mögliche Weiterentwicklung wäre zum Beispiel optische Mikroskopie oder das Auslesen von Speichermedien mit atomarer Auflösung“. Aber auch in anderen Anwendungsgebieten eröffnen sich neue Möglichkeiten: Die extrem starke Konzentration geht mit einer lokalen Verstärkung der Lichtfelder Hand in Hand, wodurch sich nicht nur der für die Photovoltaik fundamental wichtige Prozess der Absorption von Licht optimieren lässt. Es ließen sich damit auch nichtlineare optische Prozesse erzeugen, die in Zukunft in nano-optischen Schaltkreisen zur Realisierung optischer Einzelphotonentransistoren dienen könnten.

Atomic-scale confinement of resonant optical fields, Johannes Kern , Swen Grossmann , Nadezda V. Tarakina , Tim Häckel , Monika Emmerling , Martin Kamp , Jer-Shing Huang , Paolo Biagioni , Jord Prangsma , and Bert Hecht. Nano Lett., Just Accepted Manuscript, DOI: 10.1021/nl302315g, Publication Date (Web): September 17, 2012

Kontakt

Prof. Dr. Bert Hecht, T: (0931) 31-85863, E-Mail: hecht@physik.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau
17.11.2017 | Universität Ulm

nachricht Zwei verdächtigte Sterne unschuldig an mysteriösem Antiteilchen-Überschuss
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte