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Électrons et photons

Montag, 11.01.2021

Électrons et photons war das Thema der berühmten Solvay-Konferenz 1927, bei der die Quantenmechanik aus der Taufe gehoben wurde. Und das Thema hat knapp hundert Jahre später nichts an Bedeutung verloren.

Optische Messungen mit einem Elektronenstrahl: Was auf den ersten Blick widersprüchlich wirkt, ist eine Methode, bei der die Lichtemission einer mit Elektronen angeregten Probe gemessen wird. Der Vorteil: Der Elektronenstrahl kann bis auf atomare Abmessungen fokussiert werden, eine im Vergleich zur Anregung mit Licht um ein Vielfaches höhere räumliche Auflösung ist die Folge.

Dieses Verfahren der „Kathodolumineszenz“ wurde in den letzten Jahren in modernsten Elektronenmikroskopen vielfach zur Erforschung optischer Nanostrukturen mit immer höherer Präzision eingesetzt. Damit ergab sich natürlich auch die Frage nach den Grenzen der Methode, eine Frage, welche zwei Forschungsgruppen des Instituts für Physik der Universität Graz nunmehr in Zusammenarbeit mit Gruppen in Wien, Tschechien und Frankreich beantwortet haben.

Das von Franz-Philipp Schmidt von der von Joachim Krenn geleiteten Nanooptik Gruppe aufgebaute Kooperationsprojekt untersuchte sogenannte Plasmonen in scheibenförmigen Nanopartikeln aus Silber. Dabei traten zunächst unerklärliche, von der Emissionsrichtung abhängige systematische Unterschiede in der spektralen Position der maximalen Lumineszenz auf. Ulrich Hohenester konnte diese Unterschiede schließlich erklären: Der durch die Richtung des Elektronenstrahls bedingte Symmetriebruch führt zu unterschiedlichen Ladungsdichten auf den beiden Partikeloberflächen – und diese zu einer richtungsabhängig modifizierten Lichtemission. Obwohl es sich um spektrale Unterschiede von nur wenigen Nanometern handelt, ist ihr Verständnis als vom anregenden Elektronenstrahl selbst hervorgerufenes Phänomen von zentraler Wichtigkeit: Nur so können zukünftig Präzessionsmessungen korrekt interpretiert werden.

In dieser Arbeit wurde das „breathing mode“ Plasmon untersucht, dessen Entdeckung durch die Grazer Gruppen auf einer Konferenz 2013 im österreichischen Mauterndorf diskutiert wurde. An dieser Konferenz nahm auch Mark Stockman von der Georgia State University teil, ein diskussionsfreudiger Pionier der Plasmonik. Mark ist Ende 2020 gestorben und diese Arbeit ist ihm gewidmet.

Franz-Philipp Schmidt, Arthur Losquin, Michal Horák, Ulrich Hohenester, Michael Stöger-Pollach, Joachim R. Krenn, Fundamental Limit of Plasmonic Cathodoluminescence, Nano Letters (2020) https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04084

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