Wenn Licht auf winzige Metallstrukturen trifft
Wissenschaftler weisen enorme elektrische Felder an optischer Nanoantenne nach.
Wissenschaftler weisen enorme elektrische Felder an optischer Nanoantenne nach.
Eine Antenne auf der Nanometerskala, die neue Möglichkeiten für Anwendungen in der Optik sowie für den Nachweis von Molekülen in Biologie und Chemie verspricht, haben Forscher des KIT und der Rice University in Houston/Texas entwickelt. Dabei ist es ihnen gelungen, die erhöhte Feldstärke an der optischen Antenne direkt zu messen.
Abb.: Tausendfach verstärktes elektromagnetisches Feld in der Lücke zwischen zwei Goldnanostrukturen. Die schematische Darstellung zeigt Goldatome und ihre chemischen Bindungen (gelb), die Elektronendichte (blau) und das erhöhte elektromagnetische Feld (rot). (Bild: KIT)
Wenn Licht auf eine metallische Nanostruktur trifft, kann es darin Wellen in der Dichte der Elektronen anregen. Durch diese Dichtewellen wirkt die Nanostruktur dann wie eine Antenne für Licht – ähnlich wie herkömmliche Antennen in Radios oder Mobiltelefonen für langwelligere Strahlung. Bei den im Alltag eingesetzten Antennen sind die Dichteänderungen und die damit verbundenen elektrischen Felder meist klein. Nicht so bei der Nanoantenne, die Forscher aus Karlsruhe und Houston nun entwickelt haben: Zwei Metallspitzen sind auf der Nanometerskala voneinander getrennt. „So wird die Energie in der Lichtwelle auf ein winziges Volumen fokussiert, was enorme elektrische Felder hervorruft und ganz neue Anwendungen ermöglicht“, berichtet der Physiker Gerd Schön vom Center for Functional Nanostructures (CFN) des KIT. Allerdings war es bisher schwierig, die erhöhte Feldstärke im Experiment direkt nachzuweisen. In einer Probe, in der die zwei metallische Spitzen durch einen weniger als einen Nanometer großen Spalt voneinander getrennt sind, maßen die Forscher nun die Feldstärke und fanden dabei Erhöhungen von mehr als einem Faktor tausend. Dies erreichten sie durch eine geschickte Kombination von optischer Gleichrichtung und hochempfindlichen Leitwertmessungen.
Plasmonischen Antennen werden für spektroskopische Untersuchungen von Oberflächen, für chemische, biologische und medizinische Sensoren, aber auch für die Grundlagenforschung zur Wechselwirkung von Licht und Materie auf der Nanometerskala erforscht.
Karlsruher Institut für Technologie/KP
