Elektronenmikroskopische Aufnahme: Fast die Hälfte des Goldfilmes bestand aus Löchern, dennoch gelangte deutlich weniger Licht hindurch.
Schematische Darstellung des untersuchten Goldfilmes.
Bekanntlich reflektieren Metalle Licht mehr oder weniger vollständig und werden damit undurchsichtig. Eine praktische Anwendung dieser Eigenschaft sind Spiegel. Produziert man eine entsprechend dünne polierte Schicht, erhält man einen halbdurchlässigen Spiegel. Entsprechend der Logik müssten viele kleine Löcher in einer solchen dünnen Metallschicht die Durchsicht erhöhen. Paradoxerweise ist aber genau das Gegenteil der Fall, wie deutsche Physiker im Experiment herausgefunden haben.
Ein ähnlich merkwürdiges Phänomen haben Physiker bereits vor zehn Jahren entdeckt. Die Wissenschafter versahen einen lichtundurchlässigen dicken Metallfilm mit winzigen Löchern. Die gebohrten Öffnungen waren deutlich kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Den Gesetzen der klassischen Optik zufolge sollte das Licht daher weiterhin fast vollständig reflektiert werden. Die beobachtete Realität sah allerdings anders aus: Durch die Löcher ging wesentlich mehr Licht als die Forscher erwartet hatten.
Die Entdeckung führte zu einer Vielzahl an weiteren Untersuchungen in diesem Bereich. Eine davon wurde vom Physiker-Team rund um Martin Dressel und Bruno Gompf vom 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart durchgeführt. Die Wissenschafter versuchten, einen Metallfilm derart mit Löchern zu versehen, dass er Licht ungehindert durchlässt. Entsprechend groß war ihre Überraschung als sie genau den gegenteiligen Effekt beobachteten: Perforiert man einen dünnen, halbdurchlässigen Metallfilm mit einer periodischen Anordnung von winzigen Löchern, passiert diese Schicht deutlich weniger Licht als zuvor; selbst dann, wenn der Film fast zur Hälfte aus Löchern besteht.
Ultradünner Goldfilm
Konkret untersuchten die Stuttgarter Physiker die Licht-Transmission durch einen etwa 20 Nanometer dünnen Goldfilm (ein nm entspricht einem Millionstel eines Millimeters, Anm.). Der Goldfilm war damit nur ein paar Dutzend Atome dick. Die Filme wurden mit 200nm großen Löchern versehen, die einen gleichbleibenden Abstand von 300nm hatten. Derartige Filme lassen sich mit heute üblichen lithographischen Verfahren verhältnismäßig einfach großflächig herstellen; ähnliche Methoden werden auch in der Halbleiterproduktion eingesetzt.
Als die Physiker Licht durch den durchlöcherten Film schickten, wurden einzelne Frequenzen im sichtbaren und angrenzenden infraroten Bereich stark absorbiert. Wie sich zeigte, war diese zusätzliche Absorption eine direkte Konsequenz des periodischen Lochmusters und stand in erster Näherung nur mit dem Abstand, nicht aber der Größe der Löcher im Zusammenhang.
Plasmonen-Anregungen
Die Ursache für den Spuk liegt in den sogenannten Plasmaschwingungsquanten, kurz Plasmonen. Gemeint sind damit Elektronen, die relativ zu den positiven Ionen oszillieren. Die Periodizität der Löcher erlaubt kollektive Anregungen der Plasmonen, die bei einem durchgehenden Metallfilm ohne Löcher nicht möglich sind. Eine Besonderheit dieser Plasmaschwingungsquanten ist, dass ihre Anregung stark vom Einfallswinkel des auftreffenden Lichts abhängt. Wird der Metallfilm etwas geneigt, ändert sich die Farbe der Plasmonen. Dies wurde auch in den Experimenten von den Physikern beobachtet.
Die Ergebnisse ihrer Forschungen haben die Stuttgarter Wissenschafter in der aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht. Weitere Forschungen sollen nun klären, welche möglichen künftigen Anwendungen sich aus diesen unerwarteten optische Eigenschaft von Nanostrukturen ergeben könnten. (red/derStandard.at, 11.11.2009)