FORSCHUNG/655: Ultraschnelle Nano-Optik (Einblicke - Uni Oldenburg)
Einblicke - Forschungsmagazin der Universität Oldenburg
Nr. 50/Herbst 2009
Ultraschnelle Nano-Optik
Von Parinda Vasa und Christoph Lienau
Seit August 2006 beschäftigt sich eine neue Abteilung am Institut für Physik der Carl von Ossietzky Universität mit experimentellen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der "Ultraschnellen Nano-Optik". Hierbei handelt es sich um ein hochaktuelles Forschungsfeld, das den meisten Angehörigen der Universität allerdings vermutlich weniger geläufig ist. In diesem Beitrag wird daher erläutert, was "Nano-Optik" eigentlich ist, wie schnell "ultraschnell" ist, welche Forschungsfragen auf diesem Gebiet aktuell behandelt werden und wie die Arbeiten in das Oldenburger Forschungsumfeld eingebunden sind.
Nanostrukturen sind in den letzten Jahren immer wichtiger geworden. Sie haben vielfältigste Anwendungen gefunden, die von Pfannenoder Fensterbeschichtungen über neuartige Sensoren, neue Computerspeicher, auf Quantenpunkten basierenden Halbleiterlasern bis hin zu neuen Solarzellenstrukturen reichen. Nanostrukturen sind halbleitende, metallische, dielektrische und biologische Materialien mit Abmessungen im Bereich von 1 bis 100 Nanometern. Ein "Nano"-Meter (griech. Zwerg) ist der Milliardste Teil eines Meters. Damit sind die Abmessungen von Nanostrukturen meist noch kleiner als der Tausendste Teil des Durchmessers eines einzelnen menschlichen Haares. Diese sehr geringen Abmessungen sind ein wesentlicher Grund für die besonderen elektronischen und optischen Eigenschaften von Nanostrukturen: Sperrt man Elektronen in solch kleinen Regionen ein, so verhalten sie sich oft nicht mehr wie klassische Teilchen, sondern vielmehr wie elektronische Wellen. Die Eigenschaften von Nanostrukturen unterliegen damit nicht mehr den Gesetzen der klassischen Physik, sondern oftmals denen der Quantenphysik. Besonders Chemiker und Physiker arbeiten daher weltweit fieberhaft daran, die Eigenschaften dieser Materialien nicht nur zu entschlüsseln, sondern sie durch Variation von Größe, Geometrie und Zusammensetzung der Nanostrukturen zu verändern und nach "Maß zu schneidern", um so Materialien mit neuartiger Funktionalität zu schaffen.
Gerne möchte man einzelne Nanostrukturen "sehen" können. Der Grund: Gegenwärtig ist es noch sehr kompliziert, viele Nanostrukturen mit exakt identischen Eigenschaften herzustellen. Optische Spektroskopiemethoden, die Laser als Werkzeug benutzen, sind hierfür besonders geeignet, da sie eine Vielzahl von sehr detaillierten Informationen über Nanostrukturen liefern können. So gelingt es nur mit Lasern, eine hinreichende Zeitauflösung zu erreichen. Diese ist nötig, um die Bewegung von Elektronen in Nanostrukturen in Echtzeit sichtbar zu machen. Aufgrund der geringen Abmessungen der Nanostrukturen und der hohen Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen bewegen, finden solche Elektronenbewegungen meist auf extrem kurzen Zeitskalen von wenigen Femtosekunden statt. Eine Femtosekunde dauert nur 10-15 Sekunden, das ist der Milliardstel Teil einer Millionstel Sekunde.
Bei der Nutzung von optischen Messtechniken zum "Sehen" von Nanostrukturen gibt es jedoch ein fundamentales Problem. Aufgrund von Beugungseffekten ist die räumliche Auflösung, die man mit konventionellen optischen Mikroskopen erreichen kann, auf etwa die Hälfte der Wellenlänge des Lichtes beschränkt. Im sichtbaren Spektralbereich beträgt diese Grenze etwa 500 Nanometer, so dass Objekte mit Abmessungen im Nanometer-Bereich mit "normalen" Mikroskopen nicht aufgelöst werden können.
Nano-Optik: Hohe Auflösung mit winzigen Lichtflecken
Seit einigen Jahren benutzen Physiker nun elegante Tricks, um diese Auflösungsgrenze zu durchbrechen. Sie versuchen, mit neuen, "nano-optischen" Techniken extrem kleine Lichtflecken mit Abmessungen von wenigen Nanometern herzustellen und diese zur räumlich hochaufgelösten optischen Spektroskopie einzelner Nanostrukturen zu verwenden. Hierbei werden aktuell zwei unterschiedliche Techniken zur Lichtlokalisierung eingesetzt: Zum einen kann Licht durch kleine Löcher am Ende von hauchdünnen, mit Metall ummantelten Glasfaserspitzen transmittiert werden. Am Ende der Spitze bestimmt dann nicht die Wellenlänge des Lichts, sondern der Durchmesser der Öffnung die Größe des Lichtflecks. Reproduzierbar sind Öffnungen mit etwa 30-50 Nanometer Durchmesser, so dass die maximale Auflösung etwa ein Fünfzehntel der Lichtwellenlänge beträgt. Noch deutlich höhere Auflösungen bis zu etwa 10 Nanometern werden erzielt, wenn ultrafeine Metallspitzen beleuchtet werden. Dabei nutzt man den Umstand, dass das Lichtfeld ganz am Ende der Spitze - ähnlich wie bei einem Blitzableiter - stark überhöht ist.
Um mit solchen Lichtflecken Bilder zu erstellen, werden die Spitzen - ähnlich wie in miniaturisierten Plattenspielern - mit hochpräzisen Stelltechniken mit Sub-Nanometer-Genauigkeit über die Oberfläche der zu untersuchenden Probe gefahren. Punkt für Punkt wird die gewünschte Information aufgezeichnet - zum Beispiel das transmittierte oder reflektierte Licht oder auch die von der Probe abgestrahlte Lumineszenz. Auf diese Weise entsteht in einem optischen Nahfeldmikroskop (Abb. 1) ein räumlich hochaufgelöstes zweidimensionales Abbild der optischen Eigenschaften der Probe.
Nano-Optik mit ultrakurzen Lichtimpulsen
Diese nano-optischen Mikroskopieverfahren sind von besonderem Interesse, wenn sie mit ultrakurzen Laserimpulsen verknüpft werden. In modernen Lasern - wie sie in Abb. 2 zu sehen sind - gelingt es inzwischen, Lichtblitze zu erzeugen, deren Impulsdauer nur noch wenige Femtosekunden beträgt. Mit solchen extrem kurzen Lichtimpulsen ist es möglich - zumindest auf indirekte Weise - die Bewegung von Elektronen in Nanomaterialien zu "filmen". Hierzu wird die Elektronenbewegung durch Beleuchtung der Probe mit einem ersten Laserblitz gestartet. Die Bewegung der Elektronen wird dann nachgewiesen, indem das reflektierte oder transmittierte Licht eines zweiten, um wenige Femtosekunden zeitverzögerten Laserblitzes analysiert wird. Durch Kombination von ultrakurzen Laserimpulsen mit nano-optischen Mikroskopieverfahren gelingt es zur Zeit in ersten Ansätzen, die raumzeitliche Dynamik elektronischer "Wellenpakete" in Nanostrukturen mit einer zeitlichen Auflösung von wenigen Femtosekunden und einer räumlichen Auflösung von etwa 20 bis 50 Nanometern direkt zu verfolgen. Das hieraus resultierende Forschungsfeld der "ultraschnellen Nano-Optik" ist noch sehr jung und wird in Deutschland erstmals seit Mitte 2009 im Rahmen eines gleichnamigen nationalen Schwerpunktsprogramms (SPP 1391) von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.
In unserer Arbeitsgruppe arbeiten Wissenschaftler daran, die experimentellen Messmethoden der Nano-Optik weiter zu entwickeln und diese zur Entschlüsselung der Materialeigenschaften und der Funktion neuer Nanomaterialien zu nutzen. Ein aktuelles Beispiel ist in Abb. 3 dargestellt. Durch Kombination von nano-optischen Mikroskopieverfahren mit ultrakurzen Lichtimpulsen kann die Bewegung eines einzelnen Elektrons in einem Halbleiter-Quantenpunkt gezielt gesteuert werden. Dieses Elektron kann sich entweder im energetischen Grundzustand oder in einem angeregten Leitungsband-Zustand befinden. Aufgrund der Welleneigenschaften des Elektrons besteht auch die Möglichkeit, dass sich das Elektron in einem kohärenten quantenmechanischen Überlagerungszustand befindet, z.B. halb im Grund- und halb im angeregten Zustand. Durch den Nachweis von sogenannten Rabi-Oszillationen ist es uns gelungen, zu zeigen, dass man den quantemechanischen Zustand, in dem sich dieses einzelne Elektron befindet, mit ultrakurzen Lichtimpulsen kontrollieren und somit die Bewegung des Elektrons manipulieren kann. Darüber hinaus konnten wir zeigen, wie dieses einzelne Elektron mit einem Elektron in einem benachbarten Quantenpunkt in Wechselwirkung steht. Solche Experimente sind erforderlich, um den Transfer von Energie in Nanostrukturen besser zu verstehen, aber auch um zu lernen, wie quantenmechanische Information von einem "Bit" eines Festkörper-Quantenspeichers auf ein benachbartes Quanten-Bit übertragen wird.
Aktuell beschäftigen wir uns vor allem mit den optischen Eigenschaften von neuartigen Hybrid-Nanostrukturen, die aus metallischen Nanoteilchen und Halbleiter-Quantenpunkten zusammengesetzt sind. Solche Metall-Halbleiter-Hybridstrukturen sind von ganz besonderem Interesse, da man vermutet, dass sich aus ihnen sehr effiziente neue Nano-Laser bauen lassen. Sie könnten auch genutzt werden, um neuartige Lichtleiter mit Abmessungen zu bauen, die denen elektronischer Leiterbahnen entsprechen, und um Licht in solchen Nano-Leitern sehr schnell zu schalten. Sie könnten daher wichtige Bausteine für künftige optische Computer darstellen, die erheblich schneller arbeiten als klassische Computer. Weiterhin gibt es Hinweise, dass sich aus solchen Hybrid-Nanostrukturen Solarzellen mit sehr hoher Effizienz bauen lassen. Darüber hinaus wenden wir nano-optische Experimentiertechniken an, um neue zeitlich höchstaufgelöste Elektronenmikroskope zu erforschen, die auf der Lichtlokalisierung am Ende von metallischen Spitzen basieren. Zunehmend versuchen wir, nano-optische Techniken zu nutzen, um die Elementarprozesse der Umwandlung von Licht in Strom in organischen und anorganischen Solarzellen zu analysieren.
Die Grundlagenexperimente, mit denen sich die Mitarbeiter unserer Arbeitsgruppe beschäftigen, sind daher nicht nur für die Suche nach experimentellen Realisierungen zukünftiger Quantencomputer relevant, sondern ermöglichen neue und vertiefte Einblicke in die mikroskopischen Mechanismen von Energiewandlungsprozessen in Nanostrukturen. Sie stellen eine thematische Ergänzung und Erweiterung der anwendungsorientierten Oldenburger Energieforschung dar, die z.B. im Forschungsschwerpunkt "Energie- und Halbleiterphysik", im Studiengang PPRE oder am neuen EWE-Forschungszentrum "NextEnergy" vorangetrieben wird. Unsere Arbeiten tragen dazu bei, die Zusammenarbeit zwischen grundlagenorierter Materialforschung (z.B. im Center of Interface Science) und anwendungsorienter Energieforschung zu stärken und helfen somit, die Energieforschung als zentralen regionalen Forschungsschwerpunkt mit internationaler Sichtbarkeit weiter zu entwickeln.
Die Autoren
Prof. Dr. Christoph Lienau, Hochschullehrer für Experimentalphysik, forscht und lehrt seit 2006 am Institut für Physik. Er promovierte 1992 in Physikalischer Chemie an der Universität Göttingen und arbeitete anschließend als Stipendiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft in der Gruppe von Ahmed Zewail am California Institute of Technology in Pasadena. 1995 wechselte er an das neugegründete Max-Born-Institut (Berlin) in den Bereich von Thomas Elsässer. Hier gründete er eine "Nano-Optik"-Forschungsgruppe und habilitierte sich 2003 an der Humboldt Universität Berlin. Seit 2009 ist er auch Direktor des Instituts für Physik der Universität Oldenburg.
Dr. Parinda Vasa, Wissenschaftliche Mitarbeiterin, ist seit 2006 am Institut für Physik tätig. Sie promovierte 2006 in Physik am Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, Indien. Sie erhielt Stipendien der Alexander von Humboldt Stiftung und der Schlumberger Foundation, um in der "Ultraschnellen Nano-Optik" in Oldenburg sowie an der TU Ilmenau (Prof. Erich Runge) zu forschen. Sie untersucht neue plasmonische Metall-Halbleiter-Strukturen mit Methoden der Nano-Optik und Ultrakurzzeitspektroskopie. 2007 wurde sie mit der Young Scientist Medal der Indian National Science Academy (INSA) ausgezeichnet.
Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:
Abb. 1: Blick in ein Oldenburger Nahfeldmikroskop
Abb. 2: Aufbau eines modernen Ultrakurzpuls-Lasers. Solch ein Titan-Saphir-Laser erzeugt Lichtblitze mit einer Dauer von weniger als 6 Femtosekunden (links). Das Farbspektrum des Lasers erstreckt sich über mehr als 200 Nanometer (rechts).
Abb. 3. Optische Nahfeldmikroskopie von zwei gekoppelten Halbleiter-Quantenpunkten. Sogenannte Rabi-Oszillationen (rechts) zeigen, dass es mit ultrakurzen Lichtimpulsen gelingt, die Elektronenbewegung in solchen Quantenstrukturen zu kontrollieren.
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Quelle:
Einblicke Nr. 50, 24. Jahrgang, Herbst 2009, Seite 12-15
Herausgeber: Das Präsidium der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
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Einblicke erscheint zweimal im Jahr und informiert
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Universität Oldenburg.
veröffentlicht im Schattenblick zum 17. Dezember 2009