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Nanotechnologie: Ein weiter Ruf

In unserer Welt des Makrokosmos tragen Glasfaserkabel schon längst optische Informationen um die ganze Welt. Um das für zukünftige Nanotechnologien auch auf der Ebene von Molekülen umzusetzen, fehlt es bislang an einigen wichtigen Bauteilen. Ein winziges Hightechprodukt in Sandwich-Bauweise könnte weiterhelfen.
Wer anderen etwas mitteilen möchte, muss dicht genug daneben stehen – sonst verhallt die Neuigkeit ungehört. Diese Binsenweisheit aus Kindertagen hat auch in der Nanowelt der Moleküle ihre Gültigkeit. Allerdings werden hier die Informationen mit Vorliebe durch Resonanz übertragen. Der Sender strahlt ein Energiebündel ab, und der Empfänger schnappt es im günstigsten Fall auf. Wie gut das geht und wie viel Energie wirklich ankommt, hängt unter anderem von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger ab. Je dichter, umso effektiver ist der Transfer natürlich, und bei rund 10 Nanometern ist Schluss. Was weiter weg ist als diese Distanz, die ungefähr 100 Atomdurchmessern entspricht, findet nicht mehr so richtig in die Resonanzschwingung hinein. So sind die langjährigen Erfahrungen aus Physikochemie und Biophysik, und daran haben Wissenschaftler sich gewöhnt. Zumindest die meisten.

Den beiden britischen Forschern William Barnes von der Universität Exeter und Piers Andrew von der Universität Cambridge waren 10 Nanometer aber zu wenig. Zur Umsetzung ihrer Ideen für nanophotonische Schaltungen, in denen Licht wie elektrischer Strom kontrolliert und genutzt werden kann, benötigen sie aktive Bauelemente wie beispielsweise Schalter. Und die lassen sich nur realisieren, wenn die Energie auch nach einem Sprung über größere Strecken noch vom Empfänger registriert wird. Im Verbund mit den bereits existierenden passiven Baugruppen, die Aufgaben von Filtern, Wellenleitern, Polarisatoren und Lichtquellen im Nanomaßstab übernehmen, wäre die Nanophotonik damit einen bedeutenden Schritt in Richtung einer kleinen Demonstrationsschaltung vorangekommen.

Barnes und Andrew nutzten das besondere Verhalten von dünnen Metallfilmen, auf die ein Lichtpuls fällt. Das Licht versetzt die Oberflächenelektronen in kollektive Schwingungen, sodass die Photonen entweder absorbiert, gestreut oder reflektiert werden. Dabei entsteht an der Oberfläche ein elektromagnetisches Feld, das sich über 10 bis 100 Mikrometer erstrecken kann, aber nur 200 bis 300 Nanometer in das Metall hineinreicht. Physiker sprechen von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen – oder kurz Plasmonen. In ihnen sahen die Forscher den geeigneten Mediator für ihr Resonanzsignal.

Als Sender diente eine Polymerschicht mit eingelagerten Farbstoffmolekülen, die mit Licht angeregt werden können. Der Empfänger bestand ebenfalls aus Polymer mit Farbstoffen, die über Resonanz die Energie auffangen und dann als Fluoreszenzlicht abstrahlen sollten. Zwischen beiden Schichten steckte wie der Belag in einem Sandwich ein Silberfilm von 120 Nanometern Dicke – nach konventionellen Maßstäben eine unendliche Strecke für den Resonanztransfer. Dank der Plasmonen des Silbers kamen in den Versuchen jedoch rund 70 Prozent der Energie tatsächlich beim Empfänger an. Die Wissenschaftler hatten damit eine Art Bindfadentelefon für Farbstoffe entwickelt, die eigentlich viel zu weit auseinanderstehen, um Informationen auszutauschen. Mit dem Plasmon-Trick geht es doch.

Noch tummeln sich die Plasmonen nur in Laborexperimenten. Sie könnten aber schon bald den Energietransport in organischen Leuchtdioden verbessern, die manche Ingenieure für das Displaymaterial zukünftiger Computer halten. Oder sie wirken in neuen Arten von Nanosolarzellen. Auch molekulare Detektoren könnten die Hilfe von Plasmonen gebrauchen. Das Prinzip haben die Wissenschaftler bewiesen, nun gilt es, den Schritt zur Anwendung zu machen. Doch der braucht auch meist seine Zeit.

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