Die kleinste Lichtfalle der Welt

Die Wechselwirkung von Licht und Materien spielt in Pflanzen, Solar­zellen oder Reak­toren der che­mischen Indu­strie eine zentrale Rolle. So gut diese Pro­zesse ver­standen sind, fehlte bis­lang der Blick auf atomare Details zwischen Photonen und Mole­külen. Forscher aus Spanien und Groß­britan­nien ent­wickelten dafür eine Art Nano­lupe, mit der sie Licht auf ein winziges Areal, das viel kleiner ist als die jewei­ligen Wellen­längen, konzen­trieren können. Von ihrer Forschung ver­sprechen sie sich auf­schluss­reiche Details in photo­che­mischen Pro­zessen, verbes­serte, von Licht initi­ierte Katalyse­reak­tionen und sogar neue An­sätze für opto­mecha­nische Daten­speicher.

„Mit unseren Nanostrukturen können wir Licht in einem winzigen Raum ein­fangen und so beob­achten, wie Mole­küle in Echt­zeit schwingen“, sagt Jeremy Baum­berg von der Univer­sity of Cam­bridge. Mög­lich wurde das mit Pico­kavi­täten, die sich spontan auf einem depo­nierten Gold­cluster aus­bilden. An diesen haften einzelne Moleküle, die über durch licht indu­zierte Plasmonen in den Pico­kavi­täten zu Schwin­gungen ange­regt werden können. Aus der Ana­lyse dieser Schwin­gungen konnten die Forscher auf die Wechsel­wirkung zwischen Licht und Materie auf atomarem Niveau schließen.

Konkret nutzten Baumberg und seine Kollegen eine extrem glatte Gold­ober­fläche, die sie mit einer Mono­lage aus der Substanz Biphenyl-4-thiol beschich­teten. Auf dieser nur einen Nano­meter dünnen Schicht setzten sie einen etwa hundert Nano­meter durch­mes­senden Cluster aus Gold. Tief­ge­kühlt auf minus 260 Grad Celsius wölbten sich auf der Ober­fläche des Gold­clusters spontan winzige Struk­turen aus, die über einige Minuten stabil waren. Genau diese Aus­wöl­bungen, die Pico­kavi­täten, wirkten als Falle für ein­ge­strahltes Laser­licht mit einer Wellen­länge von 633 Nano­metern. Bei dieser Fokus­sierung auf eine Pico­kavität ent­standen in dieser Plasmonen, die Vibra­tionen in benach­barten Biphenyl-4-thiol-Mole­külen an­regten.

„Die molekularen Bindungen verhalten sich wie vibrie­rende Federn, die sich mit Licht auf Wunsch in Schwin­gung ver­setzt werden können“, sagt Baum­berg. Zur Ana­lyse dieser licht­indu­zierten Vibra­tionen nutzten die Wissen­schaftler ein modi­fi­ziertes Dunkel­feld­mikro­skop. Damit konnten sie Streu­effekte und hoch aufge­löste Raman­spektren auf­nehmen. Ab­hängig von der Inten­sität des ein­ge­strahlten Laser­lichts ließen sich verschie­dene Vibra­tions­moden in den Makro­mole­külen beob­achten. Aller­dings ver­kürzte eine allzu hohe Inten­sität auch die Lebens­dauer der Pico­kavi­täten aus ein­zelnen Gold­atomen. Ähn­lich ver­hielten sich Nano­struk­turen aus Silber, die eben­falls Pico­kavi­täten aus­bilden konnten.

„Dieser Grad einer Lokalisierung von Licht war bisher nur theo­retisch vorher­gesagt, konnte in unserem Experi­ment aber belegt werden“, sagt Javier Aizpurua vom Donostia Inter­national Physics Center im spanischen San Sebastián. Nach seiner Aussage er­öffnen die Pico­kavi­täten nun erst­mals einen detail­lierten Blick auf die Wechsel­wirkung von Licht mit ein­zelnen Mole­külen auf atomarer Ebene. Auch wenn es sich um ein Grund­lagen­experi­ment handelte, ver­spricht er sich zahl­reiche Anwen­dungen von diesem Ansatz.

Ersten praktischen Nutzen versprechen sich die Wissen­schaftler von Detail­ana­lysen photo­che­mischer und photo­physi­ka­lischer Pro­zesse wie sie etwa bei der Photo­syn­these von Pflanzen oder in Solar­zellen auf­treten. Auch neue An­sätze licht­indu­zierter, kata­ly­tischer Reak­tionen halten die Forscher für mög­lich. „Diese mole­kulare, opto­mecha­nische Wechsel­wirkung könnte sogar für das Schalten opti­scher Signale genutzt werden“, sagt Aizpurua. Doch ob und wann diese Anwen­dungen von Pico­kavi­täten Realität werden, lässt sich aus heutiger Sicht noch nicht beurteilen.

Jan Oliver Löfken

RK