Ludwig-Maximilians-Universität München
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Licht-Materie-Wechselwirkung

Attosekundenkamera für Nanostrukturen

München, 31.05.2016

LMU-Physiker haben mithilfe ultrakurzer Laserpulse elektromagnetische Felder gemessen, die an der Oberfläche eines Nanodrahts aus Gold durch die Wechselwirkung von Licht und Materie entstehen.

Trifft ein Laserlicht auf eine Nanonadel (gelb), entstehen an der Oberfläche elektromagnetische Nahfelder. Ein zweiter Laserpuls löst aus der Nadel ein Elektron (grün). Über dessen Emission bestimmt man die Charakteristik der Nahfelder. Bild: Christian Hackenberger

Wenn Licht auf Metalle fällt, regt das elektromagnetische Feld des Lichts Elektronen in den Metallatomen zum Schwingen an. Durch diese Wechselwirkung entstehen sogenannte „Nahfelder“ – elektromagnetische Felder, die nahe der Oberfläche des Metalls lokalisiert sind. Wie sich diese Nahfelder unter Lichteinfluss verhalten, hat jetzt ein Team von Physikern der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in enger Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Lehrstuhls für Laserphysik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg beobachtet. Darüber berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Die Forscher schickten starke Infrarot-Laserpulse auf einen winzigen Nanodraht aus Gold. Diese Laserpulse sind so kurz, dass sie nur über wenige Schwingungen des Lichtfeldes verfügen. Beim Auftreffen auf die Nanonadel regte das Licht kollektive Schwingungen der leitenden Elektronen in dem Verbund aus Goldatomen an. Die Elektronenbewegungen bewirkten die Ausbildung der Nahfelder an der Oberfläche des Drahtes.

Um herauszufinden, in welcher zeitlichen Relation die Nahfelder zu den Lichtfeldern standen, schickten die Forscher kurz nach dem ersten Laserpuls einen zweiten, nur einige hundert Attosekunden kurzen Lichtblitz auf die Nanostruktur (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde). Der zweite Blitz löste einzelne Elektronen aus dem Nanodraht aus. An der Oberfläche angekommen, wurden die Teilchen durch die Nahfelder beschleunigt und detektiert. Die Analyse dieser Teilchen ergab, dass die Nahfelder rund 250 Attosekunden zeitversetzt zum einfallenden Licht schwingen und seinem Feld quasi voraneilen. Sie erreichen 250 Attosekunden früher einen maximalen Ausschlag als die Schwingung des Lichtfeldes.

„Mit der von uns demonstrierten Messmethode können Felder und Oberflächenwellen an Nanostrukturen, welche in der Lichtwellen-Elektronik eine zentrale Rolle spielen, gestochen scharf abgebildet werden“, sagt Professor Matthias Kling, Leiter der Arbeitsgruppe Ultraschnelle Nanophotonik an der Fakultät für Physik der LMU.

Die Versuche ebnen den Weg hin zu komplexeren Studien der Wechselwirkung von Licht und Materie an für die Nanooptik geeigneten Metallen und damit für eine lichtgetriebene Elektronik der Zukunft. Eine Technologie, die auf Lichtwellen kodierte Daten überträgt oder speichert, wäre 100.000 Mal schneller als heutige technologische Systeme, da Licht etwa eine Billiarde Mal pro Sekunde schwingt. (Nature Communications 2016)                                                       (LMU/MPQ)

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