Energie sparen mit Nanopartikeln: Kombination aus Silber und Gold leitet Lichtenergie besonders effizient
Mit Hilfe der sog. "DNA-Origami-Methode" ist es LMU-Forschern um Tim Liedl gelungen, eine extrem kleine und besonders energieeffiziente Form des Lichttransports zu entwickeln: über Nanoketten aus Gold und Silber. Zum Einsatz kommen könnte die Methode z. B. in Optischen Computern.
Heutige Rechner sind schnell und klein wie nie zuvor. Möglich machen das immer kleinere und leistungsfähigere Mikroprozessor-Chips, mit Strukturgrößen von nur noch einigen Nanometern. Um in diesen Dimensionen noch schneller und auch energiesparender zu werden, werden künftig in sogenannten Optischen Computern vermutlich bald Lichtteilchen statt Elektronen eingesetzt. Licht wird schon heute genutzt, um Daten schnell und möglichst verlustfrei über weite Strecken zu transportieren. Die dafür eingesetzten Glasfaserkabel müssen jedoch so groß sein, dass die Lichtwellen darin ungehindert schwingen können. Damit sind sie viel zu groß für die Datenverarbeitung auf einem Mikro- oder Nanochip.
In Nanometer-Dimension und extrem schnell können Lichtsignale aber über sogenannte Plasmonenschwingungen weitergeleitet werden. Dabei regt ein Lichtteilchen (Photon) die Elektronenwolke eines Gold-Nanopartikels zum Oszillieren an. Diese Wellenbewegung pflanzt sich mit rund zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit über eine Kette von Nanopartikeln fort. Allerdings: Der Energieverbrauch wäre im Fall einer reinen Gold-Kette aufgrund starker Wärmeentwicklung ähnlich hoch wie in klassischen Transistoren.
Silber-Nanopartikel als energiesparende Vermittler
Tim Liedl, Professor für Physik an der LMU und Wissenschaftler im Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM), beschreibt mit Kollegen von der Ohio University jetzt in der Fachzeitschrift Nature Physics, wie Silber-Nanopartikel den Energieverbrauch deutlich senken können. Die Physiker bauten eine Art Mini-Teststrecke von rund 100 Nanometern Länge aus drei Nanopartikeln: Vorne und hinten je ein Gold-Nanopartikel und ein Silber-Nanopartikel genau in der Mitte.
Das Silber dient hier als eine Art Vermittler zwischen den Goldpartikeln, ohne dass in ihm Energie verloren geht. Um das Plasmon des Silberpartikels in Schwingung zu versetzen, wäre eine höhere Anregungsenergie nötig als für Gold. Und so "umfließt" die Energie dieses Partikel lediglich. "Der Transport wird über die Kopplung der elektromagnetischen Felder um die sogenannten Hot Spots vermittelt, die jeweils zwischen den beiden Goldpartikeln und dem Silberpartikel entstehen", erklärt Tim Liedl. "So kann die Energie fast verlustfrei weitergereicht werden und das auf der Femtosekundenskala."
Entscheidende Voraussetzung für die Versuche war, dass die Wissenschaftler Spezialisten im punktgenauen Platzieren von Nanostrukturen sind. Prof. Tim Liedls Forschungsarbeiten zur "DNA-Origami-Methode", mit der verschiedene kristallin gewachsene Nanopartikel in definiertem Nano-Abstand nebeneinander gesetzt werden können, werden von der VolkswagenStiftung bereits seit dem Jahr 2010 in der (inzwischen beendeten) Initiative "Integration molekularer Komponenten in funktionale makroskopische System" gefördert.
Parallel zu den Experimenten simulierten die Physiker den Versuch per Computer und fanden ihre Messergebnisse bestätigt. Neben klassischen Elektrodynamiksimulationen konnte Alexander Govorov, Professor für Theoretische Physik an der Ohio University, Athens, USA, und Ko-Autor der Arbeit, auch ein einfaches quantenmechanisches Modell aufstellen: "In diesem Modell stimmen das klassische und das quantenmechanische Bild sehr gut überein, was es als mögliches Beispiel in Unterrichtsbüchern qualifiziert."
Publikation
Hotspot-mediated non-dissipative and ultrafast plasmon passage. Eva-Maria Roller, Lucas V. Besteiro, Claudia Pupp, Larousse Khosravi Khorashad, Alexander O. Govorov, Tim Liedl. Nature Physics 2017 (Published online 15 May 2017), doi:10.1038/nphys4120
