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Quantum Hydrodynamics: Applications to nanoplasmonics

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Neue Berechnungsmethoden zur Erforschung spezieller Materialien

Im Rahmen eines von der EU finanzierten Projekts wurden moderne Berechnungsmethoden zur Erforschung der außergewöhnlichen Eigenschaften von Kohlenstoff- und Metallmaterialien im Nanomaßstab entwickelt.

Grundlagenforschung

In den letzten Jahren fand ein bemerkenswerter Aufschwung in der Erforschung der elektronischen Eigenschaften neuer Materialien statt, insbesondere, wenn sie durch elektromagnetische Strahlung angeregt werden. Schwerpunkt war die Erkundung der Eigenschaften von Graphen oder Nanoobjekten wie zum Beispiel Nanodrähten, Nanoröhren oder Nanohüllen. Ziel ist die richtige technische Auslegung, damit sie die gewünschten optischen Eigenschaften aufweisen. Motiviert durch die ansprechenden Eigenschaften, die sich im kleinen Maßstab zeigen, entwickelte die Forschergruppe des von der EU finanzierten Projekts QHYDRO neue Methoden und Modelle zur Erforschung der Quantendynamiken von Nanoobjekten in anderen ungewöhnlichen Materialien. Die neuen Techniken ähneln jenen, die bei der Erforschung der Physik von Flüssigkeiten und Gasen eingesetzt werden. Effizienz trifft auf Einfachheit Moderne Technologie ermöglicht die Produktion vieler Arten von Nanoobjekten in großen Mengen. „Spezielle Materialien umfassen extrem kleine Objekte in einer Größe von nahezu einem Millionstel eines Millimeters (Nanometer). Das ist ungefähr-20 mal so groß wie ein Wasserstoffatom“, bemerkt Giovanni Manfredi, Marie-Curie-Stipendiat, der das Projekt QHYDRO leitete. Um dynamische Prozesse im Nanomaßstab zu verstehen und simulieren zu können, bedarf es oft kostenintensiver Berechnungsmodelle, die auf Großcomputern ausgeführt werden. Bislang schien die Mie-Theorie das ideale Modell zu sein, um die optischen Eigenschaften von Nanopartikeln zu beschreiben. Die größte Einschränkung besteht jedoch darin, dass Quanteneffekte vernachlässigt werden, die für sehr kleine Nanoobjekte von größter Bedeutung sein können. Weitere, von Forscherteams bei der Erforschung der Elektronenreaktion auf elektromagnetische Strahlung verwendete Standardmethoden sind die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie oder die Hartree-Fock-Theorie – die jedoch beide viel Laufzeit und Speicherkapazität erfordern. Im Rahmen des Projekts QHYDRO wurden fortschrittliche Berechnungsmethoden entwickelt und umgesetzt, die einfach genug sind, damit sie auf Standardcomputern durchgeführt werden können. Trotz ihrer Einfachheit enthalten sie genügend Informationen, mit denen Wissenschaftler weitere Einblicke in die Elektronenreaktion von Materialien auf elektromagnetische Impulse oder elektrische Ströme gewinnen können. Die neuen Methoden basieren nicht auf dem Mie-Modell. Sie ermöglichen die Erforschung komplexerer und realistischerer Geometrien, wie sie zum Beispiel von Netzwerken interagierender Nanopartikeln geformt werden. Die Forschergruppe konzentrierte sich dabei vor allem auf die Erforschung der Eigenschaften von Nanoobjekten aus Kohlenstoffallotropen und Metall. Das erste untersuchte Material war Fulleren C60. Dabei handelt es sich um die bekannteste Art der Fullerene. Es besteht aus 60 in einem Polyeder angeordneten Kohlenstoffatomen. „Fullerene zeichnen sich unter anderem durch ihren Hohlkern aus, der dem Material außergewöhnliche elektronische Eigenschaften verleiht, wenn es mit Licht bestrahlt wird. Bis zu einem gewissen Grad absorbieren Sie Licht wie Metalle“, erklärt Manfredi. Des weiteren erforschte das Projektteam auch Natrium- und Gold-Nanohüllen. Im Vergleich mit Fullerenen handelt es sich hierbei um größere Nanoobjekte mit Durchmessern im Bereich von 10 bis 100 nm. Anwendungsmöglichkeiten Nanomaterialien mit nützlichen Eigenschaften sind insbesondere für Anwendungen im Hochleistungsrechnen und in der Elektronik- attraktiv. „Nanoobjekte sind besonders, weil sie die Grenzen zwischen den Bereichen Makroskopie und Quantentechnologie überschreiten, die von klassischer Newtonscher Physik und Quantenmechanik beherrscht werden“, bemerkt Manfredi. Sie weisen das Potenzial zur Verarbeitung, Übertragung und Speicherung größerer Mengen von Informationen bzw. zur Entwicklung von stabilen Filtern und Wellenleitern auf. Darüber hinaus können sie auch zu Fortschritten in der Medizin beitragen – sie können als Trägermaterial bei der Verabreichung von Pharmaka oder zur Verbesserung der Strahlentherapie eingesetzt werden. Sie ermöglichen schnellere medizinische Diagnostik und können biomedizinische Sensoren verbessern.

Schlüsselbegriffe

QHYDRO, Nanoobjekt, Fulleren, elektromagnetisch, Berechnungsmethode, Nanohülle, Flüssigkeit, Quantendynamik

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