Neue Erkenntnisse in der Photonik

Forscher aus Stuttgart, Marburg und Bonn kontrollieren das Zusammenspiel von Licht und Goldteilchen

Goethe erwähnt es in seiner Farbenlehre, und bereits die Glasmacher im Mittelalter wussten es, wenn sie ihre bunten Kirchenfenster herstellten: Kleine Partikel aus Gold, Silber oder Kupfer färben Glas. Je nach Größe dieser Nanoteilchen und nach der verwendeter Glassorte kann man ein leuchtendes Rot oder auch ein kräftiges Blau erhalten. Forschern des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart, der Philipps-Universität Marburg und der Universität Bonn ist es nun gelungen, die Absorptions-Eigenschaften dieser Metall-Nanopartikel und damit die Farbe des Glases zu variieren. Ihre Ergebnisse lassen sich vielleicht bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetzen nutzen.

Seit den späten fünfziger Jahren weiß man, was die Ursache der Farbe ist: Fällt Licht durch eine Scheibe mit den kleinen Metallkolloiden, so wird ein Teil verschluckt. Verloren gehen dem Licht dabei genau die Lichtteilchen oder Photonen, deren Energie die Elektronen zum Schaukeln wie in einem Wasserglas bringen kann. Physiker bezeichnen dies auch als Anregung eines Oberflächenplasmons. Die schaukelnden Elektronen reiben sich aneinander, und die Lichtenergie wird in Wärme verwandelt. Daher fehlt die Farbe der verschluckten Photonen nach dem Durchqueren der Glasscheibe im Licht. Dahinter kann man nur noch die Komplementärfarben sehen. Die Metallpartikel können aber nur das Licht absorbieren, das gerade passt, um diese Elektronenbewegung, ein sogenanntes Oberflächenplasmon, anzuregen.

Bis vor kurzem hatte man also gedacht, das Phänomen verstanden und im Griff zu haben. Jetzt hat eine Gruppe von Forschern des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart und der Philipps-Universität Marburg in Zusammenarbeit mit Stefan Linden, Dr. Jürgen Kuhl und Prof. Dr. Harald Gießen von der Universität Bonn herausgefunden, dass sich die Absorptions-Eigenschaften dieser Metall-Nanopartikel ändern lassen, ja sogar das komplette Abschalten der Absorption bei einstellbaren Wellenlängen möglich wird. Das berichtet die führende Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ in ihrer Ausgabe vom 14. Mai.

Der fundamental neue Ansatz, den die Forscher verwenden, ist die sogenannte photonische Kopplung dieser Nanoteilchen. Dazu werden die winzigen Goldpunkte in einem regelmäßigen Muster auf einen geeigneten Lichtwellenleiter aufgebracht. Dieser fängt jetzt das von einem Metallteilchen ausgesandte Licht ein und sendet es direkt zum Nachbarteilchen. So können die Partikel ihre Bewegung mit dem Nachbarn synchronisieren. Koppelt nun so ein ganzes Feld von Gold-Nanoteilchen zusammen, so entsteht ein sogenannter zweidimensionaler photonischer Kristall, dessen optische Eigenschaften nicht mehr nur durch die Einzelteilchen, sondern vielmehr durch das Kollektiv und seine spezielle Anordnung bestimmt werden.

Die photonischen Kristalle sind im Moment Gegenstand weltweiter intensiver Untersuchungen. Von ihnen erhofft man sich ganz neuartige integrierte optische Schaltkreise, bei denen Licht anstelle von Elektronen auf Nanostrukturen umhergeleitet wird. Auch wären neuartige Komponenten für die Telekommunikation denkbar. Die Realisierung der Goldteilchen-Wellenleiterstruktur durch die deutschen Forscher könnte daher ein wichtiger Schritt zur Verwirklichung des Zieles von integrierten photonischen Systemen in der Nanotechnologie darstellen.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Harald Gießen, Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn, Tel.: 0228/73-3481 oder -3477, Fax: 0228/73-9827, E-Mail: giessen@uni-bonn.de, WWW: http://www.iap.uni-bonn.de