Metallische Nanopartikel, die nur wenige Millionstel Millimeter lang sind, können als Basis für Lichtquellen genutzt werden, die sich ähnlich wie die Lichter von Ampeln im Straßenverkehr präzise steuern lassen. Dies hat ein Forschungsteam um Prof. Dr. Markus Lippitz, Experimentalphysiker an der Universität Bayreuth, herausgefunden. Das hier entwickelte Verfahren macht es erstmals möglich, Lichtquellen auf der Nanoskala gezielt ein- und auszuschalten. In der Fachzeitschrift „Nature Communications“ wurden diese wegweisenden Forschungsergebnisse kürzlich vorgestellt.

Nanostäbchen aus Gold mit steuerbaren Lichtquellen

In einer Serie von Experimenten haben die Bayreuther Forscher Nanostäbchen aus Gold untersucht. Jedes dieser Stäbchen wurde in seiner vollen Länge wiederholt einer sehr kurzen, aber intensiven Bestrahlung durch Laserlicht ausgesetzt. Die dadurch angeregten Partikel reflektieren dieses Licht – aber so, dass das abgestrahlte Licht nicht überall die gleichen Wellenlängen wie der einfallende Laserstrahl hat. Wird nämlich ein Nanostäbchen beispielsweise durch rotes Laserlicht angeregt, so strahlt es nicht nur rotes Licht, sondern auch energiereicheres blaues Licht ab. Die Bayreuther Physiker Daniela Wolf und Dr. Thorsten Schumacher konnten zeigen, dass das blaue Licht – im Unterschied zum energieärmeren roten Licht – nicht gleichmäßig vom gesamten untersuchten Nanostäbchen abgestrahlt wird. Es leuchtet vielmehr nur an wenigen und sehr kleinen Stellen des Partikels.

Um diese punktförmigen Emissionszentren zu beobachten, kombinierten die Wissenschaftler ein leistungsstarkes Mikroskop mit einem speziellen Abbildungsverfahren. So fanden sie heraus, dass die Anzahl und die Positionen der Emissionszentren variieren. Sie richten sich nach der Wellenlänge des Laserlichts, mit dem ein Nanostäbchen bestrahlt wird. Je nach Wellenlänge wird blaues Licht beispielsweise nur an einer einzigen Stelle in der Mitte des Stäbchens oder nur an dessen beiden Enden abgestrahlt. Diese winzigen Lichtquellen können gezielt ein- und ausgeschaltet werden, denn die Wellenlänge des Laserlichts lässt sich mit hoher Genauigkeit steuern. Die Nanostäbchen aus Gold werden so zu kleinen schaltbaren „Nano-Ampeln“.

Anwendungsperspektiven: Von der Datenübertragung bis zum Ausmessen elektronischer Zustände

Prof. Dr. Markus Lippitz, einer der führenden Experten in Deutschland auf dem Gebiet der Nanooptik, sieht in diesen Ergebnissen ein großes Anwendungspotenzial: „Dies ist das erste Mal, dass wir eine Lichtquelle auf der Nanoskala so exakt steuern können.“ Eine mögliche Anwendung einer solchen Nanoampel ist die gezielte Übertragung von Daten mit Licht. Analog zu Mobilfunk- oder Radiosignalen, die mithilfe von Antennen gesendet und empfangen werden, erscheint es jetzt grundsätzlich möglich, Lichtsignale mit der Nanoampel zu übermitteln. Dieses Konzept könnte in Zukunft helfen, elektronische Schaltungen auf Computerplatinen durch schnellere optische Schaltungen zu ersetzen.

Das neue Verfahren, Lichtsignale auf der Nanoskala zu steuern und zu beobachten, ist zudem hervorragend geeignet, die Forschungsarbeiten im Bayreuther DFG-Graduiertenkolleg „Fotophysik synthetischer und biologischer multichromophorer Systeme“ (GRK 1640) zu unterstützen, das kürzlich um weitere vier Jahre verlängert wurde. Es befasst sich insbesondere mit Photosynthese-Prozessen in der Natur. Das Ziel ist es, die auf der molekularen Skala ablaufende Übertragung von Lichtenergie und deren Umwandlung in chemische Energie genauer zu verstehen und die so gewonnenen Erkenntnisse für neue Energietechnologien zu nutzen. Die neuen Nanoampeln könnten eingesetzt werden, um elektronische Zustände in Pflanzen und anderen komplexen Systemen auszumessen. Darüber hinaus bieten sie aufgrund ihrer Schaltbarkeit die Möglichkeit, gezielt bestimmte elektronische Zustände zu erzeugen.

Zum Bayreuther Forschungsteam

Die Mitglieder des Bayreuther Forschungsteams, die in „Nature Communications“ über ihre Forschungsergebnisse berichten, haben zuvor schon an der Universität Stuttgart und am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart zusammengearbeitet. Sie sind im Frühjahr 2014 zusammen an die Universität Bayreuth gekommen. Daniela Wolf ist Doktorandin im oben genannten DFG- Graduiertenkolleg, das als interdisziplinäres Promotionsprogramm der Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften (BayNAT) zugeordnet ist. Thorsten Schumacher hat seine Promotion bereits 2014 mit Auszeichnung abgeschlossen. Seine Arbeit wurde mit dem Emil-Warburg-Forschungspreis ausgezeichnet. Prof. Markus Lippitz leitet an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Experimentalphysik III seit Februar 2013.

Veröffentlichung:

D. Wolf, T. Schumacher and M. Lippitz,
Shaping the nonlinear near field,
in: Nature Communications, 2016 Jan 14; 7:10361.
DOI: 10.1038/ncomms10361.

Kontakt:

Prof. Dr. Markus Lippitz
Experimentalphysik III
Universität Bayreuth
95447 Bayreuth
Tel.: +49 (0) 921 55 3800
Email: markus.lippitz@uni-bayreuth.de

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