Wenn Metallkügelchen mit Durchmessern von nur wenigen Dutzend Nanometern in einer Reihe angeordnet werden, können sie bei Bestrahlung mit Licht Energie untereinander austauschen. Wissenschaftler der Staatsuniversität von Georgia haben nun durch Simulationen herausgefunden, dass schon drei Metallteilchen ausreichen, um die Intensität einer Lichtquelle um mehrere Größenordnungen zu verstärken. Darüber berichten sie im Fachmagazin Physical Review Letters (Band 91, Artikel 227402).
Mark Stockman und seine Kollegen analysierten in ihrer Studie die optischen Eigenschaften von drei unterschiedlich großen Metallteilchen, die in einer Reihe mit abnehmendem Durchmesser angeordnet sind und Abstände von nur wenigen Millionstel Millimetern (Nanometern) aufweisen. Das größte Teilchen der Kette hatte dabei einen Durchmesser von fünfzig, das kleinste einen von nur fünf Nanometern.
Die Möglichkeit, derartige Metallteilchen mit sichtbarem Licht zu starken Elektronenschwingungen anzuregen, ist schon seit längerem bekannt. Diese Resonanz führt dann dazu, dass das große Teilchen an dem einen Ende der Kette Licht aus seiner Umgebung einfangen und dessen Energie dann an das mittlere Teilchen weiterleiten kann. Dieses wiederum gibt seine Energie nun zum Teil an das kleinste Teilchen am anderen Ende der Kette weiter.
Durch diesen Vorgang entsteht in der Lücke zwischen dem mittleren und dem kleinsten Teilchen ein Bereich mit sehr hoher Lichtenergie. Stockman hat berechnet, dass die Energiedichte dort fast eine Million mal so groß sein kann wie die in der Umgebung des großen Teilchens. Die drei Teilchen fungieren somit wie eine Linse, die einfallendes Licht auf einen kleinen, nur wenige Atomdurchmesser großen Punkt fokussieren kann.
Die hohen Feldenergien in der Umgebung der Metallteilchen können unter anderem zur spektroskopischen Untersuchung von einzelnen Molekülen eingesetzt werden. Dies ist zwar schon seit längerem bekannt und wurde auch von mehreren Forschergruppen experimentell beobachtet ? allerdings bei weitem nicht so effizient wie in der von Stockman ersonnenen Anordnung. Zahlreiche Forschergruppen in aller Welt forschen auf diesem als ?Plasmonik? bezeichneten Gebiet, so dass neue experimentelle Arbeiten wohl nicht lange auf sich warten lassen werden.
Stefan Maier
