Tanz der Elektronenwolken:
NAWI-Graz-Wissenschafter entdecken den Schlüssel zum Schwingungsverhalten von Plasmonen

Plasmonen sind die Hoffnungsträger auf der Suche nach neuen Möglichkeiten zur ultra-schnellen Datenübertragung im Nanoformat. Dabei handelt es sich um kollektiv schwingende Elektronenwolken an metallischen Oberflächen. Plasmonen bergen ein ungeheures Potenzial für neue Technologien mit vielfältigen denkbaren Anwendungen – von der Chip-Industrie über die Sensorik bis zur Medizintechnik. Voraussetzung ist, ihr Verhalten im Detail zu verstehen. Einen fundamentalen Beitrag dazu haben nun Wissenschafter der Karl-Franzens-Universität Graz und der TU Graz geleistet. Die Forscher fanden eine universelle Formel, mit der sich sämtliche Schwingungsmuster von Plasmonen einfach berechnen lassen. Die bahnbrechenden Forschungsergebnisse wurden in der jüngsten Ausgabe des renommierten Wissenschaftsjournals Nature Communications veröffentlicht.

Plasmonen entstehen, wenn ein Lichtstrahl in einer bestimmten Weise auf metallische Nanostrukturen trifft und die Elektronen an deren Oberfläche kollektiv in Schwingung versetzt. Das Potenzial der Plasmonen liegt darin, dass sie die positiven Eigenschaften von Licht und Elektronen vereinen. Licht ist ein schnelles „Transportmittel“, braucht jedoch aufgrund seiner Wellenlänge viel Raum und ist daher für die Energieübertragung im Nanobereich nicht geeignet. Elektronen hingegen sind langsam, dafür aber in stark miniaturisierten Anwendungen, wie zum Beispiel Computer-Chips, steuerbar. „Plasmonen kombinieren die optischen und elektronischen Vorteile: Sie können viele Informationen auf engstem Raum mit Lichtgeschwindigkeit übertragen“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Joachim Krenn, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Nano-Optik am Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz. Joachim Krenn hat mit seinem Team – allen voran Dipl.-Ing. Franz Schmidt – sowie in enger Kooperation mit den Forschungsgruppen um Ao.Univ.-Prof. Dr. Ulrich Hohenester aus der Theoretischen Nano-Physik der Karl-Franzens-Universität und Ao.Univ.-Prof. Dr. Ferdinand Hofer, Leiter des Instituts für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik (FELMI) der TU Graz, den Schlüssel zum Schwingungsverhalten von Plasmonen entdeckt.

Die Wissenschafter konnten erstmals zeigen, dass dieses einer ganz bestimmten Ordnung folgt – analog zur Systematik von akustischen Schwingungen, die Ernst Florens Friedrich Chladni im 18. Jahrhundert beschrieb, bekannt als „Chladnische Klangfiguren“. „Sind Umfang und Durchmesser von Nanopartikeln bekannt, lassen sich die opto-elektronischen Schwingungen an deren Oberfläche mit einer einfachen Formel berechnen“, fasst Ulrich Hohenester zusammen. Dieses Wissen ist entscheidend für die Konstruktion effizienter miniaturisierte Bauteile in verschiedenen technologischen Anwendungen.

Die fundamentalen neuen Erkenntnisse sind Ergebnis der besonderen Expertise und erfolgreichen Zusammenarbeit der drei genannten Forschungsgruppen im Rahmen von NAWI Graz, der strategischen Kooperation von Karl-Franzens-Universität und TU Graz im Bereich der Naturwissenschaften. Die Nano-Optik profitiert von großer Erfahrung und modernster Technik bei der Herstellung von Nano-Strukturen. Aus Fördermitteln der jüngsten Hochschulraumstruktur-Initiative des Wissenschaftsministeriums konnte die Finanzierung einer neuen Lithographie-Anlage um 1,2 Millionen Euro gesichert werden.

Unverzichtbare Unterstützung erhält die experimentelle Forschung durch die Theoretische Nano-Physik, die sich der Wirklichkeit mit Simulationen am Computer nähert. Das außergewöhnliche Know-how des FELMI eröffnet detaillierte Einblicke: Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie lassen sich Energiezustände von Elektronen beobachten, die Auskunft über die opto-elektronischen Eigenschaften der Plasmonen geben.

Publikation:
Universal Dispersion of Surface Plasmons in Flat Nanostructures.
Franz-Philipp Schmidt, Harald Ditlbacher, Ulrich Hohenester, Andreas Hohenau, Ferdinand Hofer, Joachim R. Krenn. Nature Communications. doi 10.1038/ncomms4604