Kamera für schnelle Schwingungen

Fällt Licht auf Metalle, kann das im Mikrokosmos eigenartige Dinge an deren Ober­fläche auslösen. Das elektro­magnetische Feld des Lichts regt Elektronen in den Metall­atomen zum Schwingen an. Durch diese Wechsel­wirkung entstehen Nahfelder, die nahe der Ober­fläche des Metalls lokalisiert sind. Wie sich diese Nahfelder unter Licht­einfluss verhalten, hat jetzt ein internationales Team von Physikern im Labor für Atto­sekunden­physik der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quanten­optik in enger Zusammen­arbeit mit Wissenschaftlern des Lehrstuhls für Laser­physik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg beobachtet.

Dazu schickten die Forscher starke Infrarot-Laserpulse auf einen Nano­draht aus Gold. Diese Laserpulse sind so kurz, dass sie nur über wenige Schwingungen des Licht­felds verfügen. Beim Auftreffen auf die Nano­nadel regte das Licht kollektive Schwingungen der leitenden Elektronen in dem Verbund aus Goldatomen an. Die Elektronen­bewegungen bewirkten die Ausbildung der Nah­felder an der Ober­fläche des Drahtes.

Nun wollten die Physiker herausfinden, in welcher zeitlichen Relation die Nah­felder zu den Licht­feldern standen. Dazu schickten sie kurz nach dem ersten Laser­puls einen zweiten, nur einige hundert Atto­sekunden kurzen Lichtblitz auf die Nano­struktur. Der zweite Blitz löste einzelne Elektronen aus dem Nano­draht aus. An der Oberfläche angekommen, wurden die Teilchen durch die Nahfelder beschleunigt und detektiert. Die Analyse dieser Teilchen ergab, dass die Nahfelder rund 250 Atto­sekunden zeit­versetzt zum einfallenden Licht schwingen und seinem Feld quasi voraneilen. Das heißt: Die Nahfeld-Schwingungen erreichen 250 Atto­sekunden früher einen maximalen Ausschlag als die Schwingung des Lichtfelds.

„Mit der von uns demonstrierten Mess­methode können Felder und Ober­flächen­wellen an Nano­strukturen, welche in der Licht­wellen-Elektronik eine zentrale Rolle spielen, gestochen scharf abgebildet werden.“, erklärt Matthias Kling, der Leiter der Experimente in München.

Die Versuche ebnen den Weg hin zu komplexeren Studien der Licht-Materie-Wechselwirkung an für die Nano­optik geeigneten Metallen und damit für eine licht­getriebene Elektronik der Zukunft. Diese Elektronik würde mit Frequenzen von Licht betrieben. Licht schwingt etwa eine Million Milliarden Mal pro Sekunde, also mit Petahertz-Frequenzen. Ebenso viele Schalt­vorgänge wären denkbar, rund 100.000 mehr als heute. Die ultimative Grenze der Daten­verarbeitung wäre damit erreicht.

MPQ / DE