Nanosensorik - Die Durchsicht machts

Physiker aus Stuttgart und Kaiserslautern erzielen neue Erkenntnis in der Nanosensorik.

Metalle können Licht nicht nur reflektieren, sondern auch absorbieren. Dies wird zum Beispiel benutzt, um farbige Kirchenfenster herzustellen. Die leuchtenden Farben stammen von winzig kleinen Gold- oder Silberteilchen in der Glasmasse, heute spricht man von Metall-Nanoteilchen. Schon die alten Römer verstanden es, die Farben zu ändern, indem sie die Menge des zugesetzten Metalls und die Dauer des Schmelzens veränderten. Mit der Erkenntnis, dass die Teilchen das Licht absorbieren oder reflektieren, haben Forscher der Universitäten Stuttgart und Kaiserslautern jetzt gebrochen: Den Wissenschaftlern gelang es, eine Gruppe von Goldteilchen durchsichtig zu machen, indem sie drei für sich genommen nicht  durchsichtige Teilchen in einer trickreichen Anordnung nebeneinander legten und aufeinander stapelten.

 

Abb.: Farblich codierte Darstellung des Quadrupol-Lichtfeldes in der Nanostruktur für eine Frequenz genau in der Mitte der Resonanz im Transparenzfenster. Man erkennt die positiven (rot) und negativen (blau) elektrischen Felder, die sich um die Doppeldrähte herum anordnen. Im oberen Einzeldraht hingegen ist das Lichtfeld völlig verschwunden. Die Skala deutet die räumliche Größe der Nanostruktur an: eine Einheit entspricht etwa 200 Nanometern. (Bild: Universität Stuttgart)

Licht kann Elektronen im Metall in Schwingungen versetzen. Die Energie des Lichts geht dabei in das Metall-Nanoteilchen über und erzeugt durch den elektrischen Widerstand Wärme. Damit wird ein Partikel-Plasmon angeregt und dann gedämpft. Dieses Partikel-Plasmon ist eine kollektive Schwingung der Elektronen im Metall. Für ihre Untersuchungen koppelten die Wissenschaftler nun mehrere Schwingungen zusammen. Die Kunst ist dabei, eine gegenphasige Schwingung oder  "destruktive Interferenz" zu erreichen. Dabei kann fast keine Energie an das schwingende System übertragen werden.

Damit eine Gruppe von Nanoteilchen das Licht durchlassen kann, positionierten die Stuttgarter Forscher zwei winzige Metallstangen mit einer Länge von nur 200 Nanometern nebeneinander und eine weitere quer darüber. Der Abstand zwischen den Teilchen beträgt dabei weniger als 100 Nanometer. Diese hochfeinen Strukturen werden mit Elektronenstrahl-Lithographie in der Gruppe von Harald Giessen der Universität Stuttgart hergestellt. Die Theoretiker Jürgen Kästel und Michael Fleischhauer der Universität Kaiserslautern berechneten die Form und den Abstand der Strukturen und sagten deren ideale Anordnung vorher. Der Effekt besteht darin, eine sogenannte breite Dipolresonanz in dem einzelnen Metalldraht an die schmale Quadrupolresonanz des Drahtpaares bei derselben Wellenlänge zu koppeln.

Scheint nun Licht auf eine solche Probe, tritt ein neues Phänomen auf: Bei einer ganz bestimmten Wellenlänge lässt die gesamte Struktur das Licht fast komplett durch. Koautor Tilman Pfau (Universität Stuttgart) vergleicht diesen Effekt mit einem klassischen Analogon der sogenannten elektromagnetisch-induzierten Transparenz.
Bisherige Verfahren anderer Forschergruppen, die kleine Metallteilchen für die Nanosensorik eingesetzt haben, waren durch die strahlende Dämpfung limitiert . Dieser Effekt kommt dadurch zustande, dass die schwingenden Elektronen in den Metall-Nanoteilchen nicht nur durch den elektrischen Widerstand gedämpft werden, sondern auch wie eine kleine Antenne elektromagnetische Strahlung aussenden, die ebenfalls zu einem Energieverlust führt. Dies führt dazu, dass die lokalisierten Partikelplasmon-Resonanzen, die man bisher für die Sensorik kleinster Flüssigkeitsmengen oder sogar weniger Moleküle eingesetzt hat, relativ breit waren. Diese Resonanzen verschieben sich leicht, wenn man ein Gas, eine Flüssigkeit, oder Moleküle in die direkte Umgebung der Nanoteilchen bringt. Bei breiten Resonanzen lässt sich die Verschiebung jedoch nicht so leicht detektieren.

Bei der nun neu entwickelten Struktur entfällt der Energieverlust aufgrund der elektromagnetischen Strahlung. Durch die schmale Resonanz wird der sogenannte LSPR (localized surface plasmon resonance)-Sensor deutlich empfindlicher sein als seine Vorgänger. Mithilfe dieser Technologie, so die Hoffnung, kann man künftig ganz neuartige molekulare Sensoren bauen, die kleinste Flüssigkeitsmengen, vielleicht sogar einzelne Moleküle, aufspüren können. Auch die Speicherung von Lichtsignalen bei der optischen Datenübertragung durch "langsames Licht" wäre ein möglicher Einsatzbereich. Und vielleicht könnte das Problem der Energieverluste bei den Metamaterialien gelöst werden.

Universität Stuttgart/PPR

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Na Liu et al.: Plasmonic analogue of electromagnetically induced transparency at the Drude damping limit. Nature Materials, Onlinepublikation vom 5. Juli (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nmat2495
• Arbeitsgruppe Harald Giessen, Universität Stuttgart
  www.pi4.uni-stuttgart.de
• Arbeitsgruppe Tilman Pfau, Universität Stuttgart
  http://www.pi5.uni-stuttgart.de
• Arbeitsgruppe Michael Fleischhauer, Universität Kaiserslautern
  http://www.physik.uni-kl.de/agfleischhauer/

KP