Mittwoch, 17. Oktober 2012

Physiker auf der Spur der Unsichtbarkeit


Eine dunkle "atmende Mode" im Elektronenmikroskop.
| Copyright: NAWI Graz/Ditlbacher 


Graz (Österreich) - Im Rahmen seiner Dissertation hat der Grazer Physiker Franz Schmidt eine neue Variante kollektiv schwingender Elektronenwolken an metallischen Oberflächen - sogenannter Plasmonen - entdeckt, die für Licht sozusagen "unsichtbar" ist und nur mittels eines Elektronenstrahls ausgelöst werden kann.

Wie Schmidt von der Technischen Universität Graz aktuell im Fachjournal "Nanoletters" berichtet, hat die Plasmonik ein reiches Anwendungspotential: Abgesehen von der schnelleren Datenübertragung in der Chipindustrie gibt es auch in der Sensorik und der Medizintechnik spannende Möglichkeiten. In letzterer ist eine Krebsbekämpfung denkbar, indem Patienten metallumhüllte Nanopartikel injiziert werden, die sich an Krebszellen heften und diese zerstören.

Mithilfe von Metamaterialien, also künstlich erzeugten Materialien, die gewisse in der Natur nicht vorkommende optische Eigenschaften haben, könnten natürliche Objekte von Licht "umhüllt" und so unsichtbar gemacht werden. "Bevor wir aber an diese komplexen Anwendungen denken, müssen wir die Grundlagen der schwingenden Elektronenwolken erforschen und verstehen", betont Schmidt.


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Im Zuge seiner Dissertation ist der junge Wissenschafter gemeinsam mit Forschern der TU Graz und der Uni Graz den Plasmonen deshalb genauer auf den Grund gegangen. Die Forschergruppe hat metallische Nanostrukturen aus Silber erzeugt, also Silberpartikel in der Größe von einem Millionstel eines Millimeters. "Wir haben diese Nanostrukturen sehr aufwändig in neuartigen Verfahren hergestellt, elektronenmikroskopisch untersucht und die plasmonischen Anregungen analysiert", erklärt Schmidt.

Dabei haben die Forscher den Lichtstrahl, der die Elektronen in Schwingung versetzt, durch einen Elektronenstrahl ersetzt und die ultradünne Silberstruktur durchleuchtet. Und erst die Dunkelheit offenbarte ein völlig neues Plasmon: "Wir nennen sie 'dunkle Mode', weil sie für Licht unsichtbar ist und erst durch den Elektronenstrahl entdeckt werden konnte", so Schmidt.

Den Zusatz "atmend" bekam die Mode, weil sie an eine schwingende Membran oder einen Brustkorb, der sich in der Atmung auf und ab bewegt, erinnert. Diese dunkle Atmungs-Mode wurde von den Grazern erstmals dokumentiert und trägt maßgeblich dazu bei, "Licht" in die bislang verborgen gebliebenen Regionen der Nanowelten zu bringen.

"Licht und Elektronen sind ein unschlagbares Duo", erläutert die Pressemitteilung der TU Graz. "Licht ist schnell, braucht aber durch seine bestimmte Wellenlänge auch Platz und ist für die Energieübertragung in kleinen Anwendungen, wie etwa Mikrochips, nicht brauchbar. Elektronen sind wiederum langsamer, dafür aber auf engstem Raum steuerbar. Die Idee der 'Plasmonik' ist es, Licht mithilfe von Elektronen in Metallen 'einzusperren' und seine Energie auf engstem Raum zu bündeln – man spricht hier auch von flachem Licht im zweidimensionalen Zustand.

"Trifft ein Lichtstrahl auf bestimmte Weise auf eine metallische Oberfläche, werden die dort befindlichen freien Elektronen kollektiv angeregt und in Schwingung versetzt. Diese kollektiv schwingende Elektronenwolke ist ein Plasmon und vereint die positiven Eigenschaften von Licht und Elektronen", erklärt Franz Schmid abschließend.

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