Wissenschaftler haben eine neue Art von elektromagnetischen Wellen entdeckt. Wie sie in „Nature“ berichten, entstehen diese so genannten akustischen Oberflächenplasmons an der Oberfläche von metallischen Oberflächen. Diese Erkenntnis könnte große Bedeutung für Entwicklungen in der Nanooptik, für Hochtemperatur-Supraleiter und das Verständnis chemischer Reaktionen an Oberflächen haben.
“Die Existenz dieser Wellen bedeutet, dass Elektronen auf den Oberflächen von Kupfer, Eisen, Beryllium und anderen Metallen sich wie Wasser an der Oberfläche eines Sees verhalten”, erklärt Bogdan Diaconescu, Forscher an der Universität von New Hampshire und Autor der Studie. „Wenn ein Stein in einen See geworfen wird, breiten sich die Wellen kreisförmig in alle Richtungen aus. Eine ähnliche Welle kann durch Elektronen auf einer metallischen Oberfläche erzeugt werden, wenn sie gestört werden, wie beispielsweise durch Licht.
Experimentell schwer nachzuweisen
Akustische Oberflächenplasmons wurden bereits theoretisch vorhergesagt, doch ihre Existenz war bisher extrem schwer experimentell nachzuweisen. „Erst vor einem Jahr hat eine andere Wissenschaftlergruppe geschlossen, dass diese es Wellen doch nicht gibt“, so Karsten Pohl, Mitarbeiter der Studie. „Diese Forscher haben es wahrscheinlich nicht geschafft, das Plasmon zu finden, weil die Experimente extreme Präzision und große Geduld erfordern. Die Versuche ergeben nichts, wenn beispielsweise die Oberfläche nicht gut genug vorbereitet ist oder die Detektoren nicht genau genug arbeiten.“
Berylliumkristall als Substrat
Für ihr neues Experiment nutzten die Forscher eine extrem präzise Elektronenkanone, mit der sie langsame Elektronen auf einen speziell vorbereiteten Berylliumkristall schossen. Wenn die Elektronen von den „Elektronensee“ an der Oberfläche des Kristalls reflektiert werden, verlieren einige von ihnen eine geringe Energiemenge, die der Anregung der akustischen Oberflächenplasmon-Welle entspricht. Diesen Energieverlust maßen die Wissenschaftler mit einem Detektor, der zusammen mit der Berylliumprobe in einer Ultravakuumkammer stand.
Weitreichende Auswirkungen
Die neu entdeckten Plasmons spielen höchstwahrscheinlich eine Rolle in chemischen Reaktionen an metallischen Oberflächen und könnte daher auch gezielt für Anwendungen im Bereich der Nanooptik, beispielsweise in der Nanomikroskopie eingesetzt werden. Nach Schätzungen der Forscher breiten sich die neuen Wellen mehrere Nanometer weit aus, sterben aber nach wenigen Femtosekunden ab. Damit könnten mit ihnen auch extrem schnelle chemische Prozesse nachgewiesen werden. Aber auch zur Übertragung optischer Signale entlang von nur Nanometer-großen Leitern und zur Erforschung der Supraleitfähigkeit könnten sich die Wellen eignen.
(University of New Hampshire, 05.07.2007 – NPO)
