Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Tübinger Forschungsgruppe baut winziges gekoppeltes optisches Pendel

06.08.2015

Plasmonenresonanz von Goldstäbchen lässt sich auf den Nanometer genau stimmen – Künftiger Anwendungsbereich in der Mikroskopie und bei ultra-schnellen Computern

Forschern aus der Arbeitsgruppe von Professor Alfred Meixner und PD Dr. Marc Brecht vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen ist es gelungen, einen ultrakleinen, extrem präzise durchstimmbaren optischen Schalter von nur wenigen Hundert Nanometer Größe zu bauen – ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter.


Schematische Darstellung des Experiments mit dem Resonator und dem Goldstäbchen. Der Spiegelab-stand ist in etwa halb so lang wie die Wellenlänge des Lichts (/2). Rechts: Messungen der optischen Eigenschaf-ten des Systems (hier in Form von Spektren) bei Bestrahlen mit einem Laser zur Anregung der Plasmonen-schwingung im Goldstäbchen (beige-farbene Kurven) und nach Bestrahlen mit weißem Licht zur Bestimmung der Resonanzwellenlänge des Hohlrau-mes je nach eingestelltem Spiegelab-stand. Die roten Kurven zeigen die Emissions-Spektren des gekoppelten Systems. Abbildung: Alexander Kon-rad/Universität Tübingen

Der experimentelle Aufbau beruht auf einem Prinzip, das als gekoppeltes optisches Pendel beschrieben werden kann. Die verbundenen Pendel bestehen aus einem nur 40 Nanometer langen Goldstäbchen und einem stimmbaren optischen Mikroresonator. Solch winzige Schalter könnten in der Mikroskopie Anwendung finden oder auch in schnellen, dabei jedoch sehr kleinen Computern. Die Forschungsergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe der Nano Letters veröffentlicht.

Werden Goldstäbchen dieser geringen Größe mit rotem Licht beleuchtet, können ihre Leitungselektronen kollektiv zum Schwingen angeregt werden und so für kurze Zeit die Energie des Lichts speichern. Man spricht bei diesem Phänomen von Plasmonenschwingungen. Gleichzeitig wird dadurch ein starkes elektromagnetisches Wechselfeld in unmittelbarer Nähe des Goldstäbchens erzeugt, wodurch es seine Energie wieder abstrahlt. Die Resonanzfrequenz dieser Schwingungen wird durch die Größe und Form der Goldpartikel bestimmt.

„Das Wechselfeld des Goldpartikels ist somit unser erstes optisches Pendel“, erklärt Alfred Meixner. Seine Schwingungsfrequenz lasse sich jedoch nur indirekt, beispielsweise über elektromagnetische Felder wie etwa sichtbares Licht verändern, was bisher nur sehr ungenau bewerkstelligt werden könne.

Das zweite optische Pendel im Experiment der Forscher ist ein sogenannter optischer Mikroresonator. Hierbei wird durch zwei parallel angeordnete Spiegel ein Hohlraum gebildet, der in der Lage ist, eingestrahltes Licht für kurze Zeit einzusperren. Ist der Abstand der Spiegel so eingestellt, dass sichtbares Licht eine stehende Welle zwischen den Spiegeln ausbilden kann, dann entsteht im Hohlraum ein elektromagnetisches Wechselfeld einer bestimmten und präzise einstellbaren Frequenz. „Dieser Abstand ist unter anderem bei der halben Wellenlänge des Lichts erreicht und liegt somit im Bereich von wenigen hundert Nanometern“, erklärt Marc Brecht. „Wir haben hier in Tübingen einen verlässlichen, reproduzierbaren und einfachen Aufbau entwickelt, mit dem wir den Spiegelabstand bis auf den Nanometer genau einstellen können.“

Im Experiment erhielten die Forscher durch Veränderung des Abstands beziehungsweise die Wellenlänge im Resonator entsprechend eine Abstrahlung von Licht variierender Wellenlänge von dem Goldstäbchen. „Die im Gesamtsystem gespeicherte Energie wird abwechselnd zwischen der Plasmonenschwingung im Goldstäbchen und der stehenden Welle im Resonator ausgetauscht“, sagt Brecht. „Die Systeme sind stark gekoppelt.“

Je ähnlicher sich die Frequenzen dieser beiden Pendel sind, umso stärker wird der Effekt. „Die Stärke der Kopplung zwischen Mikroresonator und Plasmon reicht aus, um die optischen Eigenschaften des Goldstäbchens gezielt zu verändern. Das gelingt uns einfach dadurch, dass wir den Spiegelabstand in Namometerschritten vergrößern oder verkleinern“, setzt Meixner hinzu.

Bisher war es nicht möglich, die optischen Eigenschaften der Plasmonenschwingungen von nanoskopischen Goldpartikeln allein durch ihre optische Umgebung zu verändern. „In immer größerem Maße wird eine Verkleinerung von Bauelementen zum optischen Schalten und Übertragen von schnellen Signalen gefordert, wie wir sie heute schon in Glasfasernetzen nutzen“, sagt der Wissenschaftler. Miniaturisierte Elemente, die mit optischen Feldern schaltbar sind, könnten in naher Zukunft beispielsweise in ultra-schnellen Computern Anwendung finden. Aber auch das sich rasant entwickelnde Feld der Mikrobiologie sei angewiesen auf kleinste optische Sensoren, die Auskunft über fundamentale Eigenschaften der mikroskopischen und nanoskopischen Bausteine der belebten Natur geben.

Originalveröffentlichung:
Alexander Konrad, Andreas M. Kern, Marc Brecht, and Alfred J. Meixner: Strong and Coherent Coupling of a Plasmonic Nanoparticle to a Subwavelength Fabry–Pérot Resonator. Nano Letters, Vol 15 (7), 2015, DOI 10.1021/acs.nanolett.5b00766

Kontakt:
Prof. Dr. Alfred Meixner
Universität Tübingen
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Telefon +49 7071 29-76903
alfred.meixner[at]uni-tuebingen.de

Dr. Karl Guido Rijkhoek | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-tuebingen.de/

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: Salmonellen als Medikament gegen Tumore

HZI-Forscher entwickeln Bakterienstamm, der in der Krebstherapie eingesetzt werden kann

Salmonellen sind gefährliche Krankheitserreger, die über verdorbene Lebensmittel in den Körper gelangen und schwere Infektionen verursachen können. Jedoch ist...

Im Focus: Salmonella as a tumour medication

HZI researchers developed a bacterial strain that can be used in cancer therapy

Salmonellae are dangerous pathogens that enter the body via contaminated food and can cause severe infections. But these bacteria are also known to target...

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Konferenz IT-Security Community Xchange (IT-SECX) am 10. November 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Luftfracht

23.10.2017 | Veranstaltungen

Ehrung des Autors Herbert W. Franke mit dem Kurd-Laßwitz-Sonderpreis 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Magma sucht sich nach Flankenkollaps neue Wege

23.10.2017 | Geowissenschaften

Neues Sensorsystem sorgt für sichere Ernte

23.10.2017 | Informationstechnologie

Salmonellen als Medikament gegen Tumore

23.10.2017 | Biowissenschaften Chemie