27.02.2020 - Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Plasmonen im atomaren Flachland

Mögliche Anwendungen für neue bildgebende Verfahren und photochemische Reaktionen auf der Nanoskala

Forscher vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg und dem Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in den USA haben eine grundlegend neue Art von quantenelektronischen Schwingungen, oder Plasmonen, in atomar dünnen Materialien entdeckt. Ihre Erkenntnisse könnten für zukünftige Imaging-Methoden und photochemische Reaktionen auf der Nanoskala relevant sein.

Vor fast 70 Jahren zeigten Wissenschaftler, dass Elektronen in Materialien wellenartige, sich fortsetzende Schwingungen aufrechterhalten können – die sogenannten Plasmonen. Heutzutage befasst sich eine dynamische Plasmonenforschung mit diesen elektronischen Schwingungen, deren Anwendungen für neue, schneller Computerchips, Solarzellen, Biosensoren und sogar Krebstherapien relevant sind.

Plasmonen werden stark von der Geometrie ihrer Umgebung und dem Material, in dem sie erzeugt werden, beeinflusst und lassen sich dadurch für verschiedenste Zwecke steuern. Es war bislang jedoch nicht bekannt, wie sich Plasmonen in einen Extremfall verhalten – nämlich wenn diese Materialien nur wenige Atomlagen dick sind.

Das internationale Forschungsteam mit Felipe da Jornada und Steven Louie vom LBNL an der University of California, Berkeley, und Lede Xian und Ángel Rubio vom MPSD am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg fokussierten sich auf die Eigenschaften von Plasmonen in solchen Materialien.

Durch Quantenberechnungen entdeckten sie, dass Plasmonen in allen atomar dünnen Materialien merkwürdige Verhaltensweisen an den Tag legen. Dies war anfänglich überraschend für die Autoren: „Die Lehrbuchphysik sagt uns, dass sich Plasmonen in dreidimensional ausgedehnten Festkörpern anders verhalten als in zweidimensionalen Materialien. Aber anders als in diesen vereinfachten Modellen weisen Plamonen in allen echten, atomar dünnen Materialien ein noch anderes Verhalten auf und sind räumlich insgesamt sehr viel lokalisierbarer,“ sagt Felipe da Jornada, nun an der Stanford University.

Diese Unterschiede, sagt Steven Louie, existieren, weil „in echten atomar dünnen Materialien alle anderen nicht-leitenden und nicht-schwingenden Elektronen diese Plasmonen abschirmen, was zu gänzlich anderen Energie-Impuls-Beziehungen für diese Anregungen führt.“

Weitere Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Plasmonen in Systemen wie atomar dünnem TaS₂ sehr lange stabil bleiben können (~ 2ps) und bei typischen experimentellen Bedingungen sehr langsam sind. Dies weist darauf hin, dass sich Plasmonen in atomar dünnen Materialien mit momentan verfügbaren experimentellen Methoden räumlich stark lokalisieren lassen und die Intensität des Lichts um einen Faktor von mehr als 10⁷ erhöhen könnten.

„Diese Forschungsergebnisse sind für viele Anwendungen relevant,“ sagt Ángel Rubio, der Direktor der MPSD-Theorieabteilung, „von der Ermöglichung chemischer Reaktionen durch Katalyse mit Licht bis hin zur Biosensorik und Einzelmolekülspektroskopie.“

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