Die Zukunft der Physik liegt in der Oberflächlichkeit…merkt euch schonmal “Plasmonen”, denn davon wird man sicherlich noch viel hören. Zunächst aber – mit Hilfe dieses Phänomens hat man jetzt den kleinsten Laser der Welt gebaut – 44 Nanometer groß.


Oberflächen-Plasmonen

Immer wo die Endung -onen auftritt, da sind Teilchen am Start. Wir kennen die kleinste Energiemenge (oder das Quant) einer elektromagnetischen Welle als Photon. Als Quasiteilchen bezeichnet man das Phonon, das das Quant einer Schallwelle (im Festkörper) bezeichnet. Und jetzt kann man schon ahnen, was Plasmonen sind – kleinste Einheiten irgendwelcher Wellen – im Plasma?

Plasma ist uns kürzlich beim Plasmabeschleuniger begegnet als Materiezustand, in dem bei großen Temperaturen die Atome nicht mehr zusammenhalten und Elektronen und Protonen getrennt eine heiße Wolke bilden. Nehmen wie aber ein Metall als Festkörper – dann liegt auch darin eine Wolke von recht freien Elektronen vor, das man auch als Fermigas bezeichnet. Zwar liegt jetzt keine Auflösung der Atome vor – aber die Elektronenwolke ist frei beweglich, und das ist das entscheidende Kriterium für Plasma.

Bei Plasmabeschleuniger haben wir mit richtig Power in ein Plasma geschossen und die Elektronen auf der Welle surfen lassen. Dadurch kam es zu deutlicher räumlicher Trennung der Ladungsträger und zu großen elektrischen Feldern. Jetzt gehen wir etwas dezenter vor und regen mit einer elektromagnetischen Welle (z.B. einem Photon) eine kleine Auslenkung von Elektronen an. Dann werden diese wieder zurückschwingen, dadurch andere Elektronen stören und auslenken usw. Es bildet sich eine Schwingung im Elektronengas, und dessen gequantelte, kleinste Einheit ist, ihr ratet es, das Plasmon.

Jetzt gibt es viele Arten, wie eine solche Welle durch das Elektronengas laufen kann. Uns interessiert aus bestimmten Gründen vor allem eine Art, bei der nur an der Oberfläche des Metalls longitudinale Wellen laufen – also Auslenkungen parallel zur Oberfläche.

Die verheißungsvollen Quasiteilchen, die zu diesen Wellen gehören, nennt man Oberflächen-Plasmonen, und sind eins der spannendsten Forschungsgebiete. Später, wenn ich mir mehr dazu angelesen habe, werde ich mehr dazu schreiben; für jetzt ist interessant, dass sie eine viel kleinere Wellenlänge als Licht haben und daher z.B. im aufkommenden Feld der Datenverarbeitung mit Licht statt Elektronen hochattraktiv werden.

Aber für heute reicht eine ganz andere Motivation:

…ASER

Ich lehne mich nicht weit hervor, wenn ich behaupte dass der Laser seit den 60er Jahren das wichtigste Hilfsmittel der Experimentalphysik geworden ist. Er macht eine Sache, aber die macht er besonders gut: Kohärentes Licht genau einer Wellenlänge erzeugen, und davon im besten Fall auch noch gerade so viel oder so wenig wie man möchte.

Das …ASER steht für “Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, und der Laser verstärkt eben Licht durch stimulierte Emission von Strahlung (folglich verstärkt ein Maser Mikrowellen und ein Spaser “Surface Plasmons”). Ganz kurz das einfachste Schema, aber mit der Warnung: in Wirklichkeit klappt das nicht ohne Zwischenniveaus.

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Aber für das Prinzip reicht das folgende: In einem Atom heben wir ein Elektron von Niveau 1 auf Niveau 2, indem wir Energie draufschießen. Das macht man mit einem ganzen Haufen Atomen auf einmal – man nennt das Pumpen. Gehen wir davon aus, dass die mittlere Dauer bis zum Zerfall das Zustandes 2 lange ist gegen die Zeit, die man benötigt um Elektronen in vielen Atomen in Zustand 2 zu bringen. Den Fall, dass die meisten Atome in Zustand 2 hocken, nennt man Besetzungsinversion (nicht verwechseln mit dem Blitzkrieg, das ist eine Besetzungsinvasion).

Jetzt müssen wir wieder den guten alten Einstein bemühen (den hat man bekanntlich vor 100 Jahren wirklich alles machen lassen). Der hat 1916 das Phänomen der stimulierten Emission postuliert: Wenn einmal eines der Elektron wieder zurückfällt, und dabei ein Photon aussendet, wird dieses weitere Elektronen zu gleichem anregen. Durch den Zustand der Besetzungsinversion und das Unterbringen des Materials in einem Resonator (beispielsweise Spiegel an allen Seiten), wird lawinenartig die Abregung des Zustände aufgelöst, und ein Strahl von Photonen genau gleicher Energie (dem Unterschied zwischen 2 und 1) ausgesandt – der Laserstrahl.

Im Moment ist die Nanotechnik das Gebiet intensiver Forschung und kommender Technik. Klein muss es sein, kleinste Strukturen sollen Aufgaben erledigen – wie Licht aussenden. Die Regel aber ist, leider, dass ein optischer Resonator mindestens die halbe Wellenlänge des Lichtes haben muss. Und da sind wir mit einigen 100 Nanometern schon zu groß für Nanostrukturen.

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Kommentare (7)

  1. #1 hape
    08/26/2009

    plasmonen sind genau das Thema, über das ich noch einen Bericht schreiben muss, da kommt mir dieser Beitrag sehr gelegen ;).

  2. #2 Alexander
    08/26/2009

    Ok, jetzt kann ich mir ein bisschen besser vorstellen, was bei Verfahren wie Surface Plasmon Resonance eigentlich passiert! Das haben sich die Biologen nämlich auch schon geklaut 😉

  3. #3 Stan
    08/26/2009

    Was genau zeigt die dritte Grafik? Ist sie das Ergebnis einer Simulation oder eine Fotografie? Wäre nett, wenn das mal jemand erläutern könnte.

  4. #4 Jörg
    08/26/2009

    Stan: Das ist das Ergebnis einer Simulation, aber das Paper ist nur ein Letter, es stehen keine weiteren Informationen drin wie die gerechnet wurde.

  5. #5 beka
    08/26/2009

    Das Verfahren ähnelt der einer Leuchtstoffröhre, bei der das UV-Licht des Gases durch einen Farbstoff auf der Oberfläche umgewandelt wird. Jetzt muss man nur noch Nanoröhrchen einsetzen um das Licht zu kanalisieren. Dann hat man einen gebündelten Strahl.

    Was man auch machen kann, ist die Oberfläche so zu gestalten, dass man einen Reflektor erhält.

  6. #6 Thorsten Feichtner
    09/23/2010

    Eine wichtige Sache zu den Oberflächen-Plasmonen, um das allgemeine Verständnis zu fördern: In Wirklichkeit heißen sie Oberflächen-Plasmon-Polaritionen. Polariton ist einfach ein weiteres “Pseudo”teilchen, welches aus einer Kopplung von Licht und irgendeinem anderen Teilchen besteht. Das ist wichtig, weil jede Ansammlung von elektrischer Ladung auch ein elektrisches Feld (Photonen) erzeugt. Damit kommt es an der Metalloberfläche zu Plasmonen, die Photonen erzeugen, die wieder selbst Plasmonen erzeugen, … und nur deswegen funktioniert das auch mit der Farbstoffhülle. Die erzeugten Photonen befinden sich immer außerhalb der Metalls und können so angeregte Zustände abregen.

    PS: ich doktor grade daran herum: http://nanoscale-optics.de/

  7. #7 Jörg
    09/23/2010

    @Thorsten: Danke für die Erläuterungen, das mit den Polaritonen war mir nicht ganz klar!