Wissenschaftlern ist es gelungen, nanometergroße Goldkugeln dazu zu bringen, sich so aneinander zu lagern, dass sie Licht auf genau kontrollierbare Weise manipulieren. Wie Forscher um Federico Capasso von der Harvard University in Cambridge berichten, wirken ihre Nanoteilchen auf das Licht dank so genannter Plasmonen – durch Photonen ausgelöste Schwingungen von Elektronen in der Oberfläche des Golds.

Seit Jahren versuchen Forscher, sich diese Plasmonen für technische Anwendungen zunutze zu machen. Beispielsweise ließen sich mit ihrer Hilfe Computerchips konstruieren, die Licht ebenso schnell wie Glasfasern weiterleiten, dabei aber wesentlich weniger Raum beanspruchen. Solche Plasmonik-Chips würden um Größenordnungen schneller arbeiten als herkömmliche Modelle, die auf der Basis von elektrischem Strom funktionieren. Bereits in der Entwicklung sind winzige Sensoren, die auf ähnlichen Nanokugeln aufbauen, wie die jetzt von Capasso und Kollegen verwendeten.

Die Harvard-Forscher überzogen einen kugelrunden Silica-Kern mit einer dünnen Goldschicht, auf die sie anschließend eine Schicht aus einem Polymer auftrugen. Dann ließen sie mehrere dieser Teilchen in einer Flüssigkeit trocknen, wobei die Dicke der Polymerschicht bestimmte, wie eng sich die Kugeln aneinanderlagerten. Sowohl der Umfang der Goldschicht (rund 40 Nanometer) als auch die Abstände zwischen den Teilchen (rund 2,5 Nanometer) bestimmten, welche Eigenschaften das Konglomerat letztendlich zeigen würde. Für ihre Experimente leuchteten die Forscher jedes Konglomerat an und maßen dann verschiedene Eigenschaften der Probe sowie des von den Kugeln zurückgeworfenen Lichts.

Als entscheidende Größe stellte sich die Form heraus, in der sich die Teilchen aneinanderlagerten: Ein aus drei Kugeln mit gleichem Abstand bestehendes Konglomerat erzeugte eine spezielle magnetische Resonanz, wie sie unter anderem für so genannte "Tarnmäntel" gefragt ist. Ein aus Konglomeraten dieses Typs aufgebaute Metamaterial könnte einen negativen Brechungsindex aufweisen, wie er in der Natur nicht vorkommt, und so beispielsweise Licht um ein Objekt herum lenken.

Ein aus sieben regelmäßig angeordneten Kügelchen geformtes Konglomerat erlaubte es den Forschern, in einem vorher festgelegten Wellenlängenbereich des eingestrahlten Lichts die Streuung besonders gering zu halten. Capasso zufolge zeige das Material eine "Fano-Resonanz", bei der sich zwei Schwingunsgmoden überlagern. Die siebenteiligen Strukturen seien dadurch "sehr effizient, extrem starke elektrische Felder in nanometergroßen Bereichen zu erzeugen, in denen dann Moleküle eingefangen, manipuliert oder detektiert werden können."

Bereits in der Vergangenheit hatten Forscher an ähnlichen Goldkügelchen Antikörper befestigt und sie in eine Lösung gegeben. Befand sich darin das Gegenstück der Antikörper – beispielsweise ein bestimmtes Protein – verknüpften sich beide und das Schwingungsverhalten änderte sich. Die markanten Einschnitte im Spektrum des abgestrahlten Lichts, wie sie durch die Fano-Resonanz hervorgerufen werden, könnten solche Schwingungsänderungen präzise aufspüren.

Die Schwingungen in den Goldkügelchen – die Plasmonen – entstehen, wenn Photonen oberflächennahe Elektronen in Bewegung setzen. Anders als beim elektrischen Strom werden jedoch nicht die Elektronen transportiert, sondern lediglich die Welle wandert über die Oberfläche. Das verschafft der Plasmonik unter anderem den Geschwindigkeitsvorteil gegenüber herkömmlicher Elektronik. An bestimmten Stellen wandeln sich die Plasmonen dann wieder in Licht um, das von einem Detektor aufgefangen werden kann.

Ein Vorteil des selbstorganisierten Aufbaus, wie ihn jetzt Capasso und Kollegen präsentierten, ist es, dass er Formen erlaube, die auf Licht aus allen Richtungen gleich reagieren. Die Goldkügelchen könnten sich zu beliebig komplexen dreidimensionalen Gebilden zusammenfinden. Außerdem sei die neue Technik gegenüber anderen Verfahren billiger und einfacher, erläutert Capasso.

In der Regel produzieren Wissenschaftler solche plasmonisch aktiven Bauteile durch Verfahren, wie sie auch bei der Chipherstellung zur Anwendung kommen. Dabei fräsen sie beispielsweise mit einem feinen Elektronenstrahl Strukturen aus einem flächigen Werkstück heraus. Das Endprodukt hat dadurch eher die Eigenschaften einer zweidimensionalen Scheibe. (jd)