Ein laserähnliches Miniaturgerät für Oberflächenplasmonen

Wenn Licht zwischen zwei halbreflektierenden Spiegel eingeschlossen und von einem darin enthaltenen Material verst?rkt wird, so kann der daraus entstehende Lichtstrahl extrem hell und einfarbig sein. Dies ist das Funktionsprinzip des Lasers, eines Werkzeugs also, das in allen Bereichen des modernen Lebens vom DVD-Spieler bis zum Operationsaal verwendet wird.

Forschende der ETH Z¨¹rich um David Norris, Professor am Optical Materials Engineering Laboratory, und Dimos Poulikakos, Professor am Laboratory of Thermodynamics in Emerging Technologies, haben ein Miniaturger?t entwickelt, welches dasselbe Prinzip auf so genannte Oberfl?chenplasmonen anwendet. Die elektromagnetischen Wellen, die ein solcher Oberfl?chenplasmonen-Laser, oder ?Spaser?, erzeugt, k?nnen viel st?rker geb¨¹ndelt werden als Licht. Das macht sie sowohl f¨¹r die Grundlagenforschung als auch f¨¹r technische Anwendungen, wie etwa Sensoren, interessant.

Ein winziger Resonator f¨¹r Oberfl?chenplasmonen

Im Gegensatz zu normalen Lichtwellen, die sich in einem durchsichtigen Material frei ausbreiten, bestehen Oberfl?chenplasmonen aus elektromagnetischen Wellen, die eng an wellenf?rmige Modulationen in der Dichteverteilung von Elektronen in einer Metalloberfl?che gebunden sind. Die optischen Effekte von Oberfl?chenplasmonen k?nnen beispielsweise in den Buntglasfenstern mittelalterlicher Kathedralen bestaunt werden. Dort geben Plasmonen, die vom einfallenden Licht auf metallischen Nanopartikeln erzeugt werden, den Fenstern ihre besonderen und intensiven Farben.

Das ETH-Team hat nun das Pendant eines Laser-Resonators f¨¹r Oberfl?chenplasmonen geschaffen, indem es extrem glatte Silberoberfl?chen herstellte, auf denen zwei leicht gebogene Silberbl?cke ¨C einige Mikrometer lang und nur ein halbes Mikrometer hoch ¨C positioniert wurden. Diese Mikro-Bl?cke erf¨¹llten dieselbe Funktion wie die Spiegel in einem Laser. Zwischen den Bl?cken k?nnen Oberfl?chenplasmonen viele Male hin und her fliegen. Die Verst?rkung, die n?tig ist, um einen Spaser-Strahl zu erhalten, kommt schliesslich von Quantenpunkten, die in den Resonator gegeben werden. Quantenpunkte sind kleinste Halbleiterpartikel, die sich ?hnlich verhalten wie einzelne Atome (sie werden manchmal auch als ?k¨¹nstliche Atome? bezeichnet) und die so hergestellt werden k?nnen, dass sie elektromagnetische Wellen einer gew¨¹nschten Frequenz verst?rken.

Die Forscher platzierten die Quantenpunkte im Spaser-Resonator, indem sie sie in einer Fl¨¹ssigkeit aufl?sten und diese dann mit einer Pr?zision von einem Nanometer durch eine winzige D¨¹se auf die Silberoberfl?che druckten. Diese Technik war in Professor Poulikakos¡¯ Labor entwickelt worden. Sobald der Resonator und die Quantenpunkte fertig waren, konnten Oberfl?chenplasmonen in den Spaser injiziert werden, indem die Quantenpunkte einem Laserstrahl ausgesetzt wurden.

Weitere Verst?rkung m?glich

?In unserer Arbeit haben wir versucht, die grundlegenden Elemente eines Spasers in einem einzigen kleinen Ger?t zusammenzubringen?, erkl?rt Jian Cui, Postdoktorand in Norris¡¯ Forschungsgruppe und Autor der k¨¹rzlich im Fachjournal Science Advances erschienenen Studie. Zus?tzlich zum Spaser-Resonator und dem Verst?rkermaterial bauten die Wissenschaftler einen weiteren Verst?rker ein, der mit Hilfe von Quantenpunkten die Helligkeit des Oberfl?chenplasmonen-Strahls, der aus dem Resonator austritt, noch weiter erh?ht.

Der Verst?rker ist dreieckig, so dass die Plasmonen nicht nur verst?rkt, sondern zudem auch auf einer nanometergrossen Spitze geb¨¹ndelt werden. Dort sind die elektromagnetischen Wellen in einem Volumen konzentriert, das viel kleiner ist als die kleinste Dimension, auf die normales Licht geb¨¹ndelt werden k?nnte. In Zukunft k?nnte diese Eigenschaft beispielsweise f¨¹r hochempfindliche Nachweismethoden f¨¹r Biomolek¨¹le verwendet werden.

In Richtung integrierte Schaltkreise mit Spasern

Nachdem sie nun gezeigt haben, dass ihr Miniatur-Spaser funktioniert, arbeiten die ETH-Forscher schon am n?chsten logischen Schritt. ?Unsere Herstellungsmethoden sind sehr gut reproduzierbar und vielseitig, und so k?nnen wir nun daran denken, integrierte Schaltkreise mit mehreren Elementen zu konstruieren: Spaser, Verst?rker, Sensor-Regionen, und so weiter?, sagt Professor Norris.

Der neue Ansatz hat mehrere Vorteile gegen¨¹ber vorangegangenen Versuchen, Spaser zu realisieren. Diese fr¨¹heren Technologien benutzten ein Metallteilchen als Resonator, aus dem der Spaser-Strahl aber nicht austreten konnte. Das an der ETH entwickelte Verfahren verwendet eine flache Metallschicht mit integrierten Spiegeln, was den Forschern mehr Freiheiten bei der Gr?sse und Geometrie des Resonators gibt. Zugleich erlaubt es ihnen, die Oberfl?chenplasmonen unmittelbar zu untersuchen.