26.02.2020 • Materialwissenschaften

Plasmonen im atomaren Flachland

Neue Art quantenelektronischer Schwingungen entdeckt.

Forscher vom MPI für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg und dem Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA haben eine grund­legend neue Art von quanten­elektro­nischen Schwingungen – Plasmonen – in atomar dünnen Materialien entdeckt. Ihre Erkennt­nisse könnten für zukünftige Imaging-Methoden und photo­chemische Reaktionen auf der Nano­skala relevant sein.

Abb.: Ein sich langsam bewegendes, angeregtes Plasmonen-Wellenpaket auf atomar...
Abb.: Ein sich langsam bewegendes, angeregtes Plasmonen-Wellenpaket auf atomar dünnem TaS₂. Nach seiner Erzeugung bleibt es auch nach einer Pikosekunde noch räumlich lokalisiert. (Bild: F. da Jornada, LBNL)

Vor fast siebzig Jahren zeigten Wissen­schaftler, dass Elektronen in Materialien wellen­artige, sich fort­setzende Schwingungen aufrecht­erhalten können, Plasmonen genannt. 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 fokussierte sich auf die Eigen­schaften von Plasmonen in solchen Materialien. Durch Quanten­berechnungen entdeckten die Wissen­schaftler, dass Plasmonen in allen atomar dünnen Materi­alien merk­würdige Verhaltens­weisen an den Tag legen. Das war anfäng­lich über­raschend für die Forscher. „Die Lehr­buch­physik sagt uns, dass sich Plasmonen in drei­dimen­sional ausge­dehnten Fest­körpern anders verhalten als in zwei­dimen­sio­nalen Materi­alien“, sagt Team-Mitglied Felipe da Jornada vom LBNL. „Aber anders als in diesen verein­fachten Modellen weisen Plasmonen in allen echten, atomar dünnen Materi­alien ein noch anderes Verhalten auf und sind räumlich insgesamt sehr viel lokali­sier­barer.“ Diese Unter­schiede exis­tieren, weil in echten atomar dünnen Materi­alien alle anderen nicht­leitenden und nicht­schwingenden Elektronen diese Plasmonen abschirmen, was zu gänzlich anderen Energie-Impuls-Beziehungen für diese Anregungen führt.

Weitere Ergebnisse dieser Unter­suchung zeigen, dass die Plasmonen in Systemen wie atomar dünnem TaS₂ sehr lange stabil bleiben können und bei typischen experi­men­tellen Bedingungen sehr langsam sind. Das 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, Direktor der MPSD-Theorie­abteilung, „von der Ermög­lichung chemischer Reaktionen durch Katalyse mit Licht bis hin zur Bio­sensorik und Einzel­molekül­spektro­skopie.“

MPSD / RK

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