Entstehung und Dämpfung eines plasmonischen Feldes

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Uni Hamburg, des DESY und der Standford University hat eine neue Methode zur Charakterisierung des elektrischen Feldes beliebiger plasmonischer Proben entwickelt, wie etwa Gold-Nanopartikel. Plasmonische Materialien sind wegen ihrer außergewöhnlichen Effizienz bei der Absorption von Licht von besonderem Interesse. Diese ist für erneuerbare Energien und andere Technologien von entscheidender Bedeutung. Die Studie bringt die Bereiche Nanoplasmonik und Nanophotonik mit ihren vielversprechenden Technologie-Plattformen voran.

Lokalisierte Oberflächenplasmonen sind eine einzigartige optische Anregung von Elektronen in nanoskaligen Metallen, wie Gold oder Silber, bei der die beweglichen Elektronen innerhalb des Metalls gemeinsam mit dem elektrischen Feld des Lichts schwingen. Dadurch kondensiert optische Energie, was wiederum Anwendungen in der Photonik und Energieumwandlung ermöglicht, zum Beispiel in der Photokatalyse. Um solche Anwendungen vorantreiben zu können, ist es wichtig, die Details des Plasmonenantriebs und der Dämpfung zu verstehen. Ein Problem für die Entwicklung entsprechender Experimente ist allerdings, dass die Prozesse auf extrem kurzen Zeitskalen stattfinden, innerhalb weniger Femtosekunden.

Die Attosekunden-Forscher haben Instrumente entwickelt, mit denen sich das oszillierende elektrische Feld ultrakurzer Laserpulse messen lässt. In einem dieser Verfahren wird ein intensiver Laserpuls in der Luft zwischen zwei Elektroden fokussiert, wodurch ein messbarer Strom entsteht. Zur Charakterisierung wird der intensive Puls dann mit einem schwachen Signalpuls überlagert. Der Signalpuls moduliert die Ionisationsrate und damit auch den erzeugten Strom. Eine Analyse der Verzögerung zwischen den beiden Pulsen liefert dann ein zeitabhängiges Signal, das proportional zum elektrischen Feld des Signalpulses ist.

„Wir haben diese Konfiguration zum ersten Mal eingesetzt, um das Feld zu charakterisieren, das von einer resonant angeregten plasmonischen Probe ausgeht“, sagt Francesca Calegari, leitende Wissenschaftlerin bei DESY, Physik-Professorin an der Uni Hamburg und Sprecherin des Exzellenzclusters „CUI: Advanced Imaging of Matter“. Anhand des Unterschieds zwischen dem rekonstruierten Puls mit plasmonischer Wechselwirkung und dem Referenzpuls konnten die Forscher die Entstehung des Plasmons und seinen schnellen Zerfall verfolgen und durch elektrodynamische Modellrechnungen bestätigen.

„Unser Ansatz kann zur Charakterisierung beliebiger plasmonischer Proben unter Umgebungsbedingungen und im Fernfeld verwendet werden“, ergänzt CUI-Forscher Holger Lange. Darüber hinaus könnte die präzise Charakterisierung des aus nanoplasmonischen Materialien austretenden Laserfeldes ein neues Werkzeug darstellen, mit dem sich das Design von phasenformenden Anwendungen für ultrakurze Laserpulsen optimieren lässt.

U. Hamburg / RK