Ein laserähnliches Miniaturgerät für Oberflächenplasmonen

Wenn Licht zwischen zwei halbreflektierenden Spiegel eingeschlossen und von einem darin enthaltenen Material verstärkt wird, so kann der daraus entstehende Lichtstrahl extrem hell und einfarbig sein. Dies ist das Funktionsprinzip des Lasers, eines Werkzeugs also, das in allen Bereichen des modernen Lebens vom DVD-Spieler bis zum Operationsaal verwendet wird.

Forschende der ETH Zürich um David Norris, Professor am Optical Materials Engineering Laboratory, und Dimos Poulikakos, Professor am Laboratory of Thermodynamics in Emerging Technologies, haben ein Miniaturgerät entwickelt, welches dasselbe Prinzip auf so genannte Oberflächenplasmonen anwendet. Die elektromagnetischen Wellen, die ein solcher Oberflächenplasmonen-Laser, oder «Spaser», erzeugt, können viel stärker gebündelt werden als Licht. Das macht sie sowohl für die Grundlagenforschung als auch für technische Anwendungen, wie etwa Sensoren, interessant.

Ein winziger Resonator für Oberflächenplasmonen

Im Gegensatz zu normalen Lichtwellen, die sich in einem durchsichtigen Material frei ausbreiten, bestehen Oberflächenplasmonen aus elektromagnetischen Wellen, die eng an wellenförmige Modulationen in der Dichteverteilung von Elektronen in einer Metalloberfläche gebunden sind. Die optischen Effekte von Oberflächenplasmonen können beispielsweise in den Buntglasfenstern mittelalterlicher Kathedralen bestaunt werden. Dort geben Plasmonen, die vom einfallenden Licht auf metallischen Nanopartikeln erzeugt werden, den Fenstern ihre besonderen und intensiven Farben.

Das ETH-Team hat nun das Pendant eines Laser-Resonators für Oberflächenplasmonen geschaffen, indem es extrem glatte Silberoberflächen herstellte, auf denen zwei leicht gebogene Silberblöcke – einige Mikrometer lang und nur ein halbes Mikrometer hoch – positioniert wurden. Diese Mikro-Blöcke erfüllten dieselbe Funktion wie die Spiegel in einem Laser. Zwischen den Blöcken können Oberflächenplasmonen viele Male hin und her fliegen. Die Verstärkung, die nötig ist, um einen Spaser-Strahl zu erhalten, kommt schliesslich von Quantenpunkten, die in den Resonator gegeben werden. Quantenpunkte sind kleinste Halbleiterpartikel, die sich ähnlich verhalten wie einzelne Atome (sie werden manchmal auch als «künstliche Atome» bezeichnet) und die so hergestellt werden können, dass sie elektromagnetische Wellen einer gewünschten Frequenz verstärken.

Die Forscher platzierten die Quantenpunkte im Spaser-Resonator, indem sie sie in einer Flüssigkeit auflösten und diese dann mit einer Präzision von einem Nanometer durch eine winzige Düse auf die Silberoberfläche druckten. Diese Technik war in Professor Poulikakos’ Labor entwickelt worden. Sobald der Resonator und die Quantenpunkte fertig waren, konnten Oberflächenplasmonen in den Spaser injiziert werden, indem die Quantenpunkte einem Laserstrahl ausgesetzt wurden.

Weitere Verstärkung möglich

«In unserer Arbeit haben wir versucht, die grundlegenden Elemente eines Spasers in einem einzigen kleinen Gerät zusammenzubringen», erklärt Jian Cui, Postdoktorand in Norris’ Forschungsgruppe und Autor der kürzlich im Fachjournal Science Advances erschienenen Studie. Zusätzlich zum Spaser-Resonator und dem Verstärkermaterial bauten die Wissenschaftler einen weiteren Verstärker ein, der mit Hilfe von Quantenpunkten die Helligkeit des Oberflächenplasmonen-Strahls, der aus dem Resonator austritt, noch weiter erhöht.

Der Verstärker ist dreieckig, so dass die Plasmonen nicht nur verstärkt, sondern zudem auch auf einer nanometergrossen Spitze gebündelt werden. Dort sind die elektromagnetischen Wellen in einem Volumen konzentriert, das viel kleiner ist als die kleinste Dimension, auf die normales Licht gebündelt werden könnte. In Zukunft könnte diese Eigenschaft beispielsweise für hochempfindliche Nachweismethoden für Biomoleküle verwendet werden.

In Richtung integrierte Schaltkreise mit Spasern

Nachdem sie nun gezeigt haben, dass ihr Miniatur-Spaser funktioniert, arbeiten die ETH-Forscher schon am nächsten logischen Schritt. «Unsere Herstellungsmethoden sind sehr gut reproduzierbar und vielseitig, und so können wir nun daran denken, integrierte Schaltkreise mit mehreren Elementen zu konstruieren: Spaser, Verstärker, Sensor-Regionen, und so weiter», sagt Professor Norris.

Der neue Ansatz hat mehrere Vorteile gegenüber vorangegangenen Versuchen, Spaser zu realisieren. Diese früheren Technologien benutzten ein Metallteilchen als Resonator, aus dem der Spaser-Strahl aber nicht austreten konnte. Das an der ETH entwickelte Verfahren verwendet eine flache Metallschicht mit integrierten Spiegeln, was den Forschern mehr Freiheiten bei der Grösse und Geometrie des Resonators gibt. Zugleich erlaubt es ihnen, die Oberflächenplasmonen unmittelbar zu untersuchen.