Graz - Bei kollektiv schwingenden Elektronenwolken an den Oberflächen metallischer Nanostrukturen sprechen Physiker von sogenannten Plasmonen. Technologien, die dieses Phänomen nutzen, könnten künftig zur Entwicklung von leistungsfähigen Rechnern und hochsensiblen Sensoren in kleinstem Maßstab beitragen. Grazer Wissenschaftern ist nun auf dem Weg dahin ein entscheidender Durchbruch gelungen: die Forscher haben eine universelle Formel gefunden, mit der sich die Schwingungsmuster der Plasmonen berechnen lassen.

Bestrahlt man strukturierte metallische Strukturen unter bestimmten Bedingungen mit sichtbarem oder nah-infrarotem Licht, werden dessen freie Elektronen kollektiv angeregt und an der Oberfläche in Schwingung versetzt. Diese schwingende Elektronenwolke ist ein Plasmon, das selbst flaches Licht aussendet. Das ist etwa vorteilhaft, wenn Licht in winzigen Strukturen zur Datenübertragung genutzt werden soll. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass man das jeweilige Verhalten der Elektronenschwingung an der Oberfläche von metallischen Nanopartikeln im Detail versteht. Die Grazer Wissenschafter erforschen unter anderem, wie sich das flache Licht an nanostrukturierten Oberflächen ausbreitet.

Parallelen zur Akustik

"Plasmonen kombinieren die optischen und elektronischen Vorteile: Sie können viele Informationen auf engstem Raum mit Lichtgeschwindigkeit übertragen", schildert Joachim Krenn von der Universität Graz. Mit seiner Arbeitsgruppe Experimentelle Nano-Optik am Institut für Physik und in Kooperation mit Theoretischen Physikern sowie des Instituts für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz ist es ihm gelungen, das Schwingungsverhalten der Plasmonenwolke zu berechnen. Das teilte die Universität Graz am Donnerstag mit. Die Pionierleistung der Grazer Forscher wurde mit einer Veröffentlichung in der jüngsten Ausgabe des Wissenschaftsjournals "Nature Communications" gewürdigt.

Im Zuge der Experimente und Berechnungen habe sich gezeigt, dass die Schwingungen einer ganz bestimmten Ordnung folgen - analog zur Systematik von akustischen Schwingungen, die von Ernst Florens Friedrich Chladni im 18. Jahrhundert beschrieben und heute als "Chladnische Klangfiguren" bekannt sind. "Sind Umfang und Durchmesser von Nanopartikeln bekannt, lassen sich die optoelektronischen Schwingungen an deren Oberfläche mit einer einfachen Formel berechnen", setzt der Theoretische Physiker Ulrich Hohenester auf Understatement. Dieses Wissen sei entscheidend für die Konstruktion effizienter miniaturisierter Bauteile in verschiedenen technologischen Anwendungen - u.a. im Hinblick auf das Fernziel Quantencomputer. (APA/red, derStandard.at, 13.04.2014)