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Ultraschnelle Prozessoren dank Plasmonen

Durch Umsetzung eines innovativen, auf Elektronen basierenden Bildgebungsverfahrens konnten EU-geförderte Wissenschaftler erstmals einen Blick auf Plasmonen werfen und deren Eigenschaften in Bezug auf die Quantenmechanik und klassische Mechanik beurteilen. Zudem konnten Sie zum ersten Mal die Ausbreitung einer Welle in Nanostrukturen beobachten. Dieses Ergebnis bildet die Grundlage für eine neue Generation von ultraschnellen optoelektronischen Hybridcomputern.
Ultraschnelle Prozessoren dank Plasmonen
Wenn Licht in einem Metall unter bestimmten Bedingungen auf freie Elektronen wirkt, entsteht auf den optischen Frequenzen eine Dichtewelle, die als Plasmon bezeichnet wird. Plasmonen bestehen nicht im eigentlichen Sinne aus Materie, sondern sind Wellen aus angeregten Oberflächenelektronen, die sich beinahe mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Computer, die auf solcher Technologie beruhen, können daher deutlich höhere Rechengeschwindigkeiten erreichen als die aktuelle Elektronik.

Um eine Brücke zwischen optischen und herkömmlichen elektronischen Schaltungen schlagen zu können, müssen wir in der Lage sein, Plasmonen zu kontrollieren. Durch das EU-geförderte Projekt TRUEVIEW (Time-resolved ultrafast electron visualization of evanescent waves) wurde unser Verständnis von der Ausbreitung flüchtiger elektromagnetischer Felder in nanophotonischen Strukturen und von den zugrunde liegenden Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie wesentlich verbessert. Die moderne optoelektronische Forschung wird von diesen Erkenntnissen deutlich profitieren.

Durch Anwendung des PINEM-Verfahrens (photoneninduzierte Nahfeld-Elektronenmikroskopie) konnten die Wissenschaftler photonische und plasmonische Nanostrukturen in Abhängigkeit von Zeit und Raum visualisieren und charakterisieren und dabei eine Genauigkeit im Nanometer- bzw. Femtosekundenbereich erzielen. Bei diesem fortschrittlichen Verfahren werden mittels sehr kurzer synchronisierter Elektronenpulse photoinduzierte elektromagnetische Felder ermittelt, die sehr kurzlebig und in nanometergroßen Strukturen eingeschlossen sind.

In einem sorgfältig entworfenen Versuch, in dem an einem nanoskaligen Resonator durch ein Photon eine stehende plasmonische Welle angeregt wurde, erfassten die Wissenschaftler Daten aus einem unvorstellbar kurzem Zeitbereich, sodass sie die Ausbreitung des eingeschlossenen Lichts hinsichtlich Energie und Raum in zwei Dimensionen abbilden konnten. Dieses aus einem einzigen Experiment resultierende Bild zeigt Welleneigenschaften von Plasmonen auf und liefert gleichzeitig Aufschluss über ihre quantenmechanischen Eigenschaften.

Zudem konnten die Forscher sogar ein Video der plasmonischen Wellen aufnehmen, während diese sich durch ein sorgfältig entwickeltes Medium bewegten. Ausbreitung und Interferenzen wurden mit dem PINEM-Verfahren mithilfe synchronisierter, stroboskopischer Elektronenpulse mit unterschiedlicher zeitlicher Verzögerung gefilmt. Bei ähnlichen Experimenten demonstrierten die Wissenschaftler, dass das plasmonische Interferenzmuster über die Nanostruktur und die Polarisierung des anregenden Lichts kontrolliert werden kann.

Dem TRUEVIEW-Team gelang die Analyse der Eigenschaften sowie die Manipulation von oberflächengebundenen Lichtwellen in optoelektronischen Nanostrukturen. Unter Anwendung des PINEM-Verfahrens zur direkten räumlichen und zeitlichen Abbildung und Analyse photonischer und plasmonischer Nanostrukturen mit einem Auflösungsvermögen im Nanometer- bzw. Femtosekundenbereich legte das Projektteam den Grundstein für künftige Forschung im Bereich ultraschneller Elektronenmikroskopie in Europa.

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Schlüsselwörter

Ultraschnelle Prozessoren, Plasmonen, Welle-Teilchen-Dualismus, Elektronenmikroskopie, TRUEVIEW
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