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Physiker der Uni Graz zeigten erstmals, dass sich elektrische Felder im Nanobereich mit Computertomographie
räumlich darstellen lassen
Graz (universität) - Nanopartikel eröffnen modernen Technologien durch ihre außergewöhnlichen
physikalischen Eigenschaften eine Fülle neuer Möglichkeiten. Doch längst sind nicht alle Geheimnisse
der winzigen Strukturen gelüftet. Ein entscheidender Schritt zur Beschreibung der Elektronenschwingungen an
der Oberfläche von metallischen Nanopartikeln ist nun Physikern der Karl-Franzens-Universität Graz gelungen.
Sie konnten erstmals zeigen, dass mit den Methoden der Computertomographie (CT) dreidimensionale Bilder von elektrischen
Feldern auf Nanoteilchen erstellt werden können. Damit lässt sich exakt erkennen, wo „Hot Spots“ – besonders
starke Felder – zu finden sind. Eine wichtige Information für die Entwicklung zukunftsträchtiger Anwendungen,
von hochsensiblen Sensoren bis hin zur ultraschnellen Datenübertragung. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich
im renommierten Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.
„An der Oberfläche von metallischen Nanopartikeln kommt es zu Schwingungen der Elektronendichte, die als Plasmonen
bezeichnet werden. Diese bilden an bestimmten Stellen der Nanoteilchen besonders starke elektrische Felder, so
genannte Hot Spots“, informiert Anton Hörl, MSc, aus der Arbeitsgruppe von Ao.Univ.-Prof. Dr. Ulrich Hohenester
am Institut für Physik der Uni Graz. Hot Spots können dazu genutzt werden, Licht im Nanometer-Bereich
zu fokussieren. „Das ist zum Beispiel notwendig, wenn Licht in winzigen Strukturen zur Datenübertragung genutzt
werden soll, etwa für den optischen Chip“, ergänzt Hörl.
„Zur Erforschung von Plasmonen wird ein Elektronenstrahl auf einen bestimmten Punkt der Probe fokussiert und gemessen,
wie viel Energie die Elektronen durch Wechselwirkung mit den Plasmonen verlieren. Je stärker die elektrischen
Felder auf den Nanopartikeln sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, ein Plasmon anzuregen, wodurch
dem Elektronenstrahl Energie entzogen wird“, erklärt Ulrich Hohenester das Verfahren.
Wird der Elektronenstrahl über die Probe bewegt, entsteht ein zweidimensionales Bild der elektrischen Felder.
Anton Hörl hat im Rahmen seiner Dissertation in Kooperation mit Dr. Andreas Trügler anhand von Computersimulationen
erstmals gezeigt, dass durch Drehung der Probe eine Reihe von 2D-Bildern gewonnen werden kann, aus denen sich dann
mit Hilfe der Computertomographie eine exakte 3D-Rekonstruktion der elektrischen Felder erstellen lässt. Hörls
Doktorarbeit ist in den vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Spezialforschungsbereich
„NextLite“ eingebettet.
Weiterführende Experimente werden die Theoretischen Physiker der Karl-Franzens-Universität Graz mit der
Arbeitsgruppe von Ao.Univ.-Prof. Dr. Ferdinand Hofer an der TU Graz im Rahmen der strategischen Kooperation NAWI
Graz durchführen.
Publikation
Tomography of particle plasmon fields from electron energy loss spectroscopy
Anton Hörl, Andreas Trügler, Ulrich Hohenester
Physical Review Letters, August 2013
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