Nanokleine Laser

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.

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.

Auftritt Spaser

Die Spezialfähigkeit, die Oberflächen-Plasmonen zum Superhelden macht, ist ihre Eigenschaft mit Photonen koppeln zu können, dann aber mit einer sehr viel kleineren Wellenlänge weiterzulaufen (Etwa Faktor 10 kleiner) und womöglich wieder in ein Photon umgewandelt zu werden. So wurde die Idee zum Spaser 2003 von David Bergman und Mark Stockman vorgeschlagen, denn so könnte mit einer sehr viel kleineren Struktur kohärentes Licht erzeugt werden.

Und jetzt ist diese Möglichkeit zum ersten Mal realisiert worden. Vor kurzem präsentierten M. Noginov und seine Kollegen aus Norfolk, Purdue und Cornell ihre Ergebnisse in Nature. Ihre Resonator ist ganze 44 nm groß und sendet doch Licht von 530 nm (also im optischen Bereich) aus.

Im Bild sieht man einen der Resonatoren, eine spezielle Struktur, die als “Cornell-Punkt” bekannt ist: Ein Goldpartikel, eingebettet in eine Quarzschale, die mit einem Farbstoff dotiert ist. Bestrahlt man die Körnchen mit Licht, regt man auf der Goldoberfläche Plasmonen an, die durch den Farbstoff in der Schale verstärkt werden (Spaser), und schließlich in der Emission als sichtbares Licht ausgekoppelt werden (Nano-Laser).

Wann steigt die Feier?

Moment, behaltet eure Hüte auf. Bis jetzt ist das eine Demonstration des Prinzips. Eine tolle Sache, ohne Frage, aber man hat noch keine gerichtete Emission des Laserlichtes, man beobachtet aber eine Emission von Licht mit 530 nm Wellenlänge:

Außerdem ist nicht ein einzelner Punkt auf einer Nanostruktur gezielt angeregt worden, man hat Millionen von Punkte in einer Emulsion angeregt. Dann hat man die Emulsion 100fach verdünnt und festgestellt: Ja, wir haben immer noch Emission bei 530 nm.