Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Plasmonen im atomaren Flachland

25.02.2020

Forscher vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg und dem Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in den USA haben eine grundlegend neue Art von quantenelektronischen Schwingungen, oder Plasmonen, in atomar dünnen Materialien entdeckt. Ihre Erkenntnisse könnten für zukünftige Imaging-Methoden und photochemische Reaktionen auf der Nanoskala relevant sein. Die Arbeit des Teams ist nun in Nature Communications erschienen.

Vor fast 70 Jahren zeigten Wissenschaftler, dass Elektronen in Materialien wellenartige, sich fortsetzende Schwingungen aufrechterhalten können – die sogenannten Plasmonen.


Ein sich langsam bewegendes, angeregtes Plasmonenwellenpaket auf atomar dünnem TaS₂. Nach seiner Erzeugung bleibt es auch nach einer Pikosekunde noch räumlich lokalisiert.

Felipe da Jornada

Heutzutage befasst sich eine dynamische Plasmonenforschung mit diesen elektronischen Schwingungen, deren Anwendungen für neue, schneller Computerchips, Solarzellen, Biosensoren und sogar Krebstherapien relevant sind.

Plasmonen werden stark von der Geometrie ihrer Umgebung und dem Material, in dem sie erzeugt werden, beeinflusst und lassen sich dadurch für verschiedenste Zwecke steuern. Es war bislang jedoch nicht bekannt, wie sich Plasmonen in einen Extremfall verhalten – nämlich wenn diese Materialien nur wenige Atomlagen dick sind.

Das internationale Forschungsteam mit Felipe da Jornada und Steven Louie vom LBNL an der University of California, Berkeley, und Lede Xian und Ángel Rubio vom MPSD am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg fokussierten sich auf die Eigenschaften von Plasmonen in solchen Materialien.

Durch Quantenberechnungen entdeckten sie, dass Plasmonen in allen atomar dünnen Materialien merkwürdige Verhaltensweisen an den Tag legen. Dies war anfänglich überraschend für die Autoren: „Die Lehrbuchphysik sagt uns, dass sich Plasmonen in dreidimensional ausgedehnten Festkörpern anders verhalten als in zweidimensionalen Materialien. Aber anders als in diesen vereinfachten Modellen weisen Plamonen in allen echten, atomar dünnen Materialien ein noch anderes Verhalten auf und sind räumlich insgesamt sehr viel lokalisierbarer,“ sagt Felipe da Jornada, nun an der Stanford University.

Diese Unterschiede, sagt Steven Louie, existieren, weil „in echten atomar dünnen Materialien alle anderen nicht-leitenden und nicht-schwingenden Elektronen diese Plasmonen abschirmen, was zu gänzlich anderen Energie-Impuls-Beziehungen für diese Anregungen führt.“

Weitere Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Plasmonen in Systemen wie atomar dünnem TaS₂ sehr lange stabil bleiben können (~ 2ps) und bei typischen experimentellen Bedingungen sehr langsam sind. Dies weist darauf hin, dass sich Plasmonen in atomar dünnen Materialien mit momentan verfügbaren experimentellen Methoden räumlich stark lokalisieren lassen und die Intensität des Lichts um einen Faktor von mehr als 10⁷ erhöhen könnten.

„Diese Forschungsergebnisse sind für viele Anwendungen relevant,“ sagt Ángel Rubio, der Direktor der MPSD-Theorieabteilung, „von der Ermöglichung chemischer Reaktionen durch Katalyse mit Licht bis hin zur Biosensorik und Einzelmolekülspektroskopie.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Felipe da Jornada, Erstautor: jornada@stanford.edu
Dr. Lede Xian, Co-Autor: lede.xian@mpsd.mpg.de
Jenny Witt, MPSD Kommunikation und PR: jenny.witt@mpsd.mpg.de

Originalpublikation:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14826-8

Weitere Informationen:

http://www.mpsd.mpg.de
http://www.cfel.de

Jenny Witt | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Berichte zu: CFEL Computerchips Dynamik Elektronen Materie Plasmonen Quantenberechnungen Schwingungen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Durchbruch für Photonik-Chips: Licht emittierende Silizium-Germanium-Legierungen
08.04.2020 | Technische Universität München

nachricht Light-emitting silicon-germanium alloys: breakthrough on the way to photonic computing
08.04.2020 | Technische Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Innovative Technologien für Satelliten

Er kommt ohne Verkabelung aus und seine tragende Struktur ist gleichzeitig ein Akku: An einem derart raffiniert gebauten Kleinsatelliten arbeiten Forschungsteams aus Braunschweig und Würzburg. Für 2023 ist das Testen des Kleinsatelliten im Orbit geplant.

Manche Satelliten sind nur wenig größer als eine Milchtüte. Dieser Bautypus soll jetzt eine weiter vereinfachte Architektur bekommen und dadurch noch leichter...

Im Focus: The human body as an electrical conductor, a new method of wireless power transfer

Published by Marc Tudela, Laura Becerra-Fajardo, Aracelys García-Moreno, Jesus Minguillon and Antoni Ivorra, in Access, the journal of the Institute of Electrical and Electronics Engineers

The project Electronic AXONs: wireless microstimulators based on electronic rectification of epidermically applied currents (eAXON, 2017-2022), funded by a...

Im Focus: Belle II liefert erste Ergebnisse: Auf der Suche nach dem Z‘-Boson

Vor ziemlich genau einem Jahr ist das Belle II-Experiment angelaufen. Jetzt veröffentlicht das renommierte Journal Physical Review Letters die ersten Resultate des Detektors. Die Arbeit befasst sich mit einem neuen Teilchen im Zusammenhang mit der Dunklen Materie, die nach heutigem Kenntnisstand etwa 25 Prozent des Universums ausmacht.

Seit etwa einem Jahr nimmt das Belle II-Experiment Daten für physikalische Messungen. Sowohl der Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB als auch der...

Im Focus: Belle II yields the first results: In search of the Z′ boson

The Belle II experiment has been collecting data from physical measurements for about one year. After several years of rebuilding work, both the SuperKEKB electron–positron accelerator and the Belle II detector have been improved compared with their predecessors in order to achieve a 40-fold higher data rate.

Scientists at 12 institutes in Germany are involved in constructing and operating the detector, developing evaluation algorithms, and analyzing the data.

Im Focus: Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

In vielen Bereichen spielen „Elektrolyte“ eine wichtige Rolle: Sie sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen – geladene Atome – in einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser, bewegen. Bisher war jedoch der präzise Mechanismus, wie genau sie sich durch die Atome und Moleküle der Elektrolyt-Flüssigkeit bewegen, weitgehend unverstanden. Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun gezeigt, dass der durch die Bewegung von Ionen bestimmte elektrische Widerstand einer Elektrolyt-Flüssigkeit sich auf mikroskopische Schwingungen dieser gelösten Ionen zurückführen lässt.

Kochsalz wird in der Chemie auch als Natriumchlorid bezeichnet. Löst man Kochsalz in Wasser lösen sich Natrium und Chlorid als positiv bzw. negativ geladene...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kleine Flugplätze durch Virtual Reality unterstützen

08.04.2020 | Verkehr Logistik

Forschung gegen das Corona-Virus – Gewebemodelle für schnelle Wirkstofftests

08.04.2020 | Biowissenschaften Chemie

Kostengünstiges mobiles Beatmungsgerät entwickelt

08.04.2020 | Medizintechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics