Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker aus Stuttgart und Kaiserslautern erzielen Quantensprung in der Nanosensorik - Aus dunkel mach hell

06.07.2009
Metalle reflektieren Licht, das kennt jeder, der in einen Spiegel schaut. Aber Metalle können Licht auch verschlucken.

Dieser Effekt ist weniger bekannt und wird zum Beispiel benutzt, um farbige Kirchenfenster herzustellen. Die leuchtenden Farben stammen von winzig kleinen Gold- oder Silberteilchen in der Glasmasse, heute spricht man von Metall-Nanoteilchen.

Schon die alten Römer verstanden es, die Farben zu ändern, indem sie die Menge des zugesetzten Metalls und die Dauer des Schmelzens veränderten. Die Zusammensetzung und Größe der Teilchen kann deren optischen Eigenschaften also deutlich verändern, doch stets werden die Teilchen das Licht entweder verschlucken oder reflektieren.

Mit dieser jahrhundertealten Erkenntnis haben Forscher der Universitäten Stuttgart und Kaiserslautern jetzt gebrochen: Den Wissenschaftlern gelang es, eine Gruppe von Goldteilchen durchsichtig zu machen, indem sie drei für sich genommen undurchsichtige Teilchen in einer trickreichen Anordnung nebeneinander legten und aufeinander stapelten. Über die überraschende Entdeckung berichtete die Zeitschrift Nature Materials in ihrer Ausgabe vom 5. Juli 2009*).

Licht ist eine elektromagnetische Welle und kann die Elektronen im Metall ähnlich wie bei einer Schaukel, die angeschubst wird, in Schwingungen versetzen. Und wie die Schaukel aufgrund der Reibung nach einiger Zeit nicht mehr schwingt, geht die Energie des Lichts in das Metallnanoteilchen über und erzeugt durch den elektrischen Widerstand Wärme.

Physiker sagen dazu, dass ein Partikel-Plasmon angeregt und dann gedämpft wird. Dieses Partikel-Plasmon ist eine kollektive Schwingung der Elektronen im Metall. Für ihre Untersuchungen koppelten die Wissenschaftler nun mehrere Schwingungen zusammen. Das ist so, als würde man mehrere Schaukeln mit Gummibändern zusammenbinden.

Die Kunst ist dabei, die Schaukellängen und die verbindenden Gummibänder so auszuwählen, dass die Schaukeln genau entgegengesetzt schwingen. Man spricht dann von einer gegenphasigen Schwingung oder von "destruktiver Interferenz". Dabei kann fast keine Energie an das schwingende System übertragen werden.

Der Trick ist die Anordnung der Teilchen

Damit eine Gruppe von Nanoteilchen das Licht durchlassen kann, dachten sich die Forscher einen Trick aus und ordneten die Teilchen besonders geschickt: Hierzu positionierten sie zwei winzige Metallstangen mit einer Länge von nur 200 Nanometern (Millionstel Millimeter) nebeneinander und eine weitere quer darüber. Der Abstand zwischen den Teilchen beträgt dabei weniger als 100 Nanometer. Diese hochfeinen Strukturen werden mit modernster Nanotechnologie, so genannter Elektronenstrahl-Lithographie, von der Doktorandin Na Liu in der Gruppe von Prof. Harald Giessen am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart hergestellt. Die Kaiserslauterer Theoretiker Jürgen Kästel und Michael Fleischhauer berechneten die Form und den Abstand der Strukturen und sagten deren ideale Anordnung vorher. Physikalisch gesprochen besteht der Effekt darin, eine sogenannte breite Dipolresonanz in dem einzelnen Metalldraht an die schmale Quadrupolresonanz des Drahtpaares bei derselben Wellenlänge zu koppeln.

Scheint nun Licht auf eine solche Probe, tritt ein neues Phänomen auf: Bei einer ganz bestimmten Wellenlänge lässt die gesamte Struktur das Licht fast komplett durch! Diese Wellenlänge gehört zu einer bestimmten Farbe, und das Fenster im Lichtspektrum ist sehr schmal innerhalb einer breiten Absorption. Die Forscher vergleichen diesen Effekt mit einem klassischen Analogon der sogenannten elektromagnetisch-induzierten Transparenz. Die Idee dazu stammt von dem Atomphysiker Prof. Tilman Pfau vom 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart, der ebenfalls Mitglied des Forscherteams ist.

Mit dieser Entdeckung, so schreibt Prof. Stefan Maier vom berühmten Imperial College in London in einem Kommentar in der Zeitschrift Nature Materials, erzielte das Forscherteam aus Stuttgart und Kaiserslautern einen revolutionären Durchbruch auf dem Gebiet der plasmonischen Sensorik. Denn frühere Forschergruppen, die kleine Metallteilchen für die Nanosensorik eingesetzt haben, waren durch die strahlende Dämpfung limitiert. Dieser Effekt kommt dadurch zustande, dass die schwingenden Elektronen in den Metallnanoteilchen nicht nur durch den elektrischen Widerstand gedämpft werden, sondern auch wie eine kleine Antenne elektromagnetische Strahlung aussenden, die ebenfalls zu einem Energieverlust führt. Dies führt dazu, dass die lokalisierten Partikelplasmon-Resonanzen, die man bisher für die Sensorik kleinster Flüssigkeitsmengen oder sogar weniger Moleküle eingesetzt hat, relativ breit waren. Diese Resonanzen verschieben sich leicht, wenn man ein Gas, eine Flüssigkeit, oder Moleküle in die direkte Umgebung der Nanoteilchen bringt. Bei breiten Resonanzen lässt sich die Verschiebung jedoch nicht so leicht detektieren.

Hoffnung auf neuartige molekulare Sensoren
Bei der von der Gruppe um Prof. Giessen entwickelten neuen Struktur entfällt der Energieverlust aufgrund der elektromagnetischen Strahlung, und das Team zeigt sogar einen Weg auf, um die noch vorhandene nichtstrahlende Dämpfung im Metall weiter zu senken. Aufgrund der schmalen Resonanz wird der sogenannte LSPR (localized surface plasmon resonance)-Sensor deutlich empfindlicher sein. Mithilfe dieser Technologie, so die Hoffnung, kann man künftig ganz neuartige molekulare Sensoren bauen, die kleinste Flüssigkeitsmengen, vielleicht sogar einzelne Moleküle, aufspüren können. Auch die Speicherung von Lichtsignalen bei der optischen Datenübertragung durch "langsames Licht" wäre ein möglicher Einsatzbereich. Und vielleicht könnte das alte Problem der Verluste bei den Metamaterialien gelöst werden, die kürzlich für Furore auf den Gebieten des negativen Brechungsindex und der optischen Tarnkappen gesorgt haben. Eine Gruppe aus den USA und Griechenland ist dabei, die neuen Strukturen aus Stuttgart für wesentlich bessere und verlustarme Metamaterialien einzusetzen.
*) Nature Materials - http://dx.doi.org/10.1038/NMAT2495
Weitere Informationen bei Prof. Harald Giessen, 4. Physikalisches Institut,
Tel: 0711/685-65110, e-mail: giessen@physik.uni-stuttgart.de, www.pi4.uni-stuttgart.de

Ursula Zitzler | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de/
http://dx.doi.org/10.1038/NMAT2495

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise