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Ultrafast phenomena in nanoparticle excitations

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Licht und Materie in Nanogeräten

Der Einsatz ultraschneller Laserquellen, die im Femtosekundenbereich operieren, zur optischen Anregung von Elektronen in Metallen bildet die Grundlage für neuartige Anwendungen auf dem Gebiet der Optoelektronik, darunter ultraschnelle Schalter. Mit Unterstützung der EU erzielten junge Wissenschaftler bedeutende Fortschritte auf diesem Gebiet.

Industrielle Technologien

Anhand der Wechselwirkungen zwischen Licht (bzw. Photonen) und Materie können wichtige Erkenntnisse über sowohl das klassische als auch das quantenmechanische Verhalten von Materialen gewonnen werden, die zur Entwicklung neuer Geräte führen könnten. EU-finanzierte Wissenschaftler riefen das Projekt "Ultrafast phenomena in nanoparticle excitations" (UPNEX) ins Leben, um die kollektiven Oszillationen (Oberflächenplasmonen) bei freien Elektronen eines Metalls in einem Zeitbereich von unter 10 Femtosekunden zu untersuchen. Das Team studierte räumlich und spektral aufgelöste ultraschnelle Photoemission (die Emission von Elektronen von der Oberfläche durch einfallende Photonen) von nanostrukturierten Metallproben. Der erste Schritt bestand in der Herstellung eines fortschrittlichen Bildgebungs-Spektrometer. Dieses wurde verwendet, um die Erzeugung von Terahertzstrahlung (THz-Strahung) in Form von Photoelektronen zu analysieren, die von plasmonischen Nanopartikeln ausgestoßen wurden. Die Forscher veröffentlichten wichtige Ergebnisse, welche den Zusammenhang zwischen plasmonischer Resonanz nanostrukturierter Proben mit dem von ihnen erzeugten THz-Signal demonstrieren. Die Beleuchtung dieser Mechanismen eröffnet Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der lasergetriebenen, oberflächenintegrierten THz-Quellen. Durch solche Quellen könnten aktuelle Leistungsgrenzen überschritten werden, die durch Schäden in nichtlinearen kristallbasierten THz-Quellen gesetzt sind, und der Nutzwert für Experimente und Anwendungen der Materialwissenschaft könnte erhöht werden. Für weitere Versuche konstruierten die Wissenschaftler eine Vakuumkammer, in der dann die Kopplung zweier gegeneinander ausgerichteter Nanospitzen untersucht wurde. Die Forscher konnten die Kopplungsdistanz auf etwa 100 bis 150 nm herabsetzen. Das System wurde anschließend verwendet, um eine nanoskalige Vakuumröhren-Diode zu demonstrieren, bei der zwei metallische Nanospitzen als ultraschnelles elektronisches Gerät dienen, das gepulste Elektronen nutzt, die durch Photoemission mit wenigen Zyklen emittiert wurden. Eine weitere Senkung der Kopplungsdistanz sollte die optische Steuerbarkeit der Stromrichtung zwischen den Spitzen ermöglichen, was Schaltern und Geräten in Nanogröße den Weg ebnet. Mit einem finalen Forschungsansatz wurden optisch erzeugte Ströme in Dielektrika sowie die Entwicklung neuartiger Lichtquellen untersucht. Die Projektwissenschaftler beleuchteten bestimmte Mechanismen der Bandlückenabhängigkeit induzierter Ströme, wobei sie sich insbesondere auf einen Artikel stützten, der kürzlich in der angesehenen Fachzeitschrift "Nature" veröffentlicht wurde. Die Ergebnisse könnten möglicherweise für noch schnellere Petahertz-Elektronik (PHz, 10–18 Hz) zum Einsatz kommen. Durch UPNEX wurde die berufliche Laufbahn der beteiligten Forscher gefördert, die Zusammenarbeit zwischen ihnen gestärkt und die Möglichkeiten der beiden genutzten Laboratorien erweitert. Im Lauf der Forschungsarbeiten wurden wichtige Erkenntnisse im Bereich der Licht-Materie-Interaktion im Nanomaßstab gesammelt, die für die Nano-Optoelektronik und Nanoplasmonik angewendet werden können.

Schlüsselbegriffe

Nanogeräte, ultraschnell, Femtosekunde, Optoelektronik, Anregung von Nanopartikeln

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21 Oktober 2020