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Plasmonen in niedrigdimensionalen Strukturen

Eine typische Möglichkeit durch elektromagnetische Strahlung Energie in (leitende) Materie zu koppeln ist die Erzeugung von Plasmonen. Dies ist für null- bis dreidimensionale Strukturen möglich. Man spricht bei diesem schnell wachsenden interdisziplinären Forschungsbereich von Plasmonik. Eines der attraktivsten Aspekte der Plasmonik ist die Fähigkeit Licht in Objekte zu zwängen, deren Größe kleiner ist als die vorherige Wellenlänge, was den Eigenschaften der Surface Plasmon Polaritons (SPP) zu verdanken ist. Ein SPP ist die Anregung, die aus der Wechselwirkung eines Photons mit einem Oberflächenplasmon resultiert. Lichteinsperrung - gemessen als das Verhältnis zwischen der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und der induzierten plasmonischen Anregung - findet statt, da das SPP eine Gruppengeschwindigkeit aufweist, die ein Vielfaches kleiner als die Lichtgeschwindigkeit ist. Infolgedessen wird die Wellenlänge des SPP für jede gegebene Anregungsfrequenz im selben Maße verkürzt.

 

Noch höhere Einschränkung in der Eben kann durch Plasmomen in zwei- oder sogar eindimensionalen Elektronengasen erreich werden. Dies liegt darin begründet, dass ihre Dispersionen viel flacher sind als die eines SPP. Insbesondere variiert die 2D-Plasmonenenergie ω2DP mit ~ √q|| für kleine Impulse in der Ebene q||. Für den 1D-Fall wird eine Abhängigkeit ω1DP ~ q|| ln(q||) vorausgesagt. In beiden Fällen ist es jedoch so, dass ω2DP und ω1DP  gegen null streben, wenn q|| gegen null strebt. Dies erlaubt außerordentliche Lichteinsperrung vom Subterahertz bis zu mittleren Infrarotfrequenzen durch die Nutzung von entsprechenen Nanostrukturen, die den nötigen Impulstransfer ermöglichen.

Diesen Perspektiven in Richtung potentieller Anwendungen steht immer noch ein recht unvollständiges Wissen über die grundlegenden Eigenschaften von Plasmonen in niedrigdimensionalen Strukturen. Daher führen wir Untersuchungen der Plasmonendispersion in ausgewählten Systemen sowohl mit 2D-Symmetrie (z.B. Graphen) als auch in stark anisotropen 2D-Systemen durch, welche im Grenzfall 1D-Verhalten aufweisen. Als Beispiel sei hier das kürzlich untersuchte Ag/Si(557)-System genannt. Diese Studien werden mittels hochauflösender Elektronenverlustspektroskopie (HREELS) durchgeführt. Für diesen Zwecks steht ein Gerät zur Verfügung, dass sowohl eine hohe Energie- als auch Impulsauflösung bietet.