Die Antenne für Licht - Grazer Physiker beschreiben ungewöhnliche Licht-Metall Wechselwirkung

Die ungewöhnliche Wechselwirkung von Licht mit submikroskopisch kleinen Metallteilchen hat das Physiker-Team um den Grazer Professor Franz Aussenegg erforscht. Ihre Erkenntnisse schaffen wichtige Grundlagen für die Entwicklung leistungsfähigerer Datenspeicher und optischer Sensoren. Zugleich wurden Vorhersagen der Fachwelt experimentell bestätigt und in dreizehn internationalen Wissenschaftspublikationen veröffentlicht: ein stolzes Ergebnis dieses vom Wissenschaftsfonds (FWF) über zwei Jahre unterstützten Projekts zur Erforschung des Nano-Kosmos.

Prinzip des Oberflächen-Plasmon - Licht breitet sich auf einer nanoskopischen Metalloberfläche so ähnliche aus wie eine Welle auf dem Wasser.

"Da unten ist noch viel Platz" sagte der amerikanische Nobelpreisträger Richard P. Feynman bereits 1959. "Da unten" das ist die Welt des nicht mehr Sichtbaren. Dass dort noch immer "Platz" ist, zeigen z.B. Computer-Chips, die zwar immer winziger werden, aber bedeutend mehr Daten verarbeiten können, oder CDs und DVDs, deren Speicherkapazität stetig wächst. Zur Datenverarbeitung in immer kleineren Dimensionen müssen aber neue Technologien entwickelt werden. Eine davon - die Nano-Optik - basiert auf der Nutzung von Licht und wird am Institut für Experimentalphysik an der Karl-Franzens Universität Graz von Prof. Franz Aussenegg und seinem Team erforscht.

"Licht mit Hilfe von Linsen, Spiegeln oder Prismen zu lenken ist im Bereich von Millionstel Millimetern - der Nanowelt - aus physikalischen Gründen nicht mehr möglich", erläutert Prof. Aussenegg, Vorstand des Instituts. "Doch kann hier das Licht - oder präziser gesagt das lichtelektrische Feld - durch feste Materie geführt werden. Im Prinzip so, wie die Frequenzsignale von Radio und TV über Antennen und Kabel gelenkt und geleitet werden." Denn Licht tritt in eine faszinierende Wechselwirkung mit Metallpartikeln, wenn deren Größe im Nanometerbereich liegt. Dabei wird das Licht nicht mehr reflektiert, sondern regt oberflächennahe Elektronen des Metalls zur Schwingung an. Für kurze Zeit wird das Licht als elektrisches Feld in der metallischen Struktur "eingefangen". Dauert dieser als "Oberflächen-Plasmon" bezeichnete Zustand lange genug, dann kann diese lichtelektrische Schwingung am Metall - quasi wie durch einen nanoskopischen Lichtdraht - weitergeleitet werden. Dies ist eine wichtige Vorraussetzung für die Zukunft der Nano-Optik.

Dass die Dauer des Schwingungszustands oberflächennaher Elektronen von einer gitterähnlichen Anordnung der Metallpartikel im Abstand von wenigen Millionstel Millimetern beeinflusst wird, konnte nun das Grazer Team klar belegen. Im Rahmen des vom FWF über zwei Jahre geförderten Projekts wurde untersucht, welchen Einfluss die exakten Dimensionen von Gold- oder Silbergittern haben. Die theoretische Voraussage, dass bei einem bestimmten Verhältnis von Abstand und Größe der Metallpartikel zur Wellenlänge des Lichts die Lebensdauer der Schwingung vervierfacht werden kann, wurde in überzeugender Weise bestätigt.

Die Erkenntnisse des Teams um Prof. Aussenegg bieten nun die Grundlage für die Anwendung von Licht als Alternative zur Elektrotechnologie in der Nachrichtentechnik, Informationsverarbeitung und Datenspeicherung. Schon jetzt erlauben die Ergebnisse die Verbesserung optischer Datenspeicher und optischer Sensoren. Dass somit die Arbeiten der Forscher um Prof. Aussenegg bereits die Aufmerksamkeit der Industrie auf sich ziehen, belegte auch ein Artikel in der Online-Ausgabe des britischen Magazins "Economist", das bereits am 24. Oktober 2002 von einem "signifikanten Schritt auf dem Weg zum optischen Chip" schrieb. Ein schöner Hinweis darauf, dass Grundlagenforschung am Anfang jeder industriellen Revolution steht.


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Wien, am 17. Februar 2003