Durch zu enge Löcher gezwängt

Photonen-Plasmonen-Kopplung: Farbstoff lotst Licht durch perforierte Metallfolien

01.02.2011 - Frankreich

So wie Photonen Bündel von Lichtenergie sind, so versteht man unter Plasmonen Energie-Einheiten von Plasmaschwingungen, also Oszillationen der Elektronendichte in einem Festkörper. Oberflächen-Plasmonen, Plasmonen an der Oberfläche von Metallen, eröffnen neue Perspektiven für die Manipulationn und Leitung von Licht in vielen Bereichen, von moderner optischer Datenverarbeitung bis zu biomedizinischen Sensoren. In der Zeitschrift Angewandte Chemie beschreiben Thomas W. Ebbesen, James A. Hutchison und ein Team der Universität Straßburg (Frankreich) nun einen interessanten neuen Effekt, der auf einer Kopplung von Photonen und Plasmonen beruht: Farbstoffmoleküle helfen Licht durch Löcher in Metallfolien, die so klein sind, dass das Licht nach herkömmlichen Theorien eigentlich gar nicht hindurchpassen dürfte.

Gemäß der klassischen Theorie von Abbe dürfte Licht Löcher so gut wie nicht passieren, wenn deren Durchmesser deutlich kleiner als die Wellenlänge ist. Wie von Ebbesen und seiner Arbeitsgruppe vor etwas mehr als zehn Jahren entdeckt, ist die Transmission für regelmäßige Lochmuster jedoch deutlich höher als gedacht. Vereinfacht gesprochen wird Licht in Oberflächenplasmonen umgewandelt. In diesem Zustand können die Photonen durch die Löcher auf die Rückseite der Metallfolie gelangen, wo sie wieder als Licht in Erscheinung treten können.

Das französische Team beschreibt nun ein weiteres Phänomen: Liegen Farbstoffmoleküle direkt auf der perforierten Metalloberfläche, verstärken sie deren Transparenz deutlich. Anders als man meinen würde, können die zusätzlichen Transparenz-Fenster bei Wellenlängen auftreten, die die Moleküle stark absorbieren. Interessanterweise tritt der Effekt auch bei Metallfolien mit unregelmäßig angeordneten Löchern auf, sogar ein einzelnes Loch reicht aus.

Die Forscher vermuten, dass zwei sich ergänzende Effekte eine Rolle spielen. Einerseits erzeugen Farbstoffmoleküle, die in den Löchern sitzen, dort eine starke Änderung des Brechungsindex in einer Weise, dass die Transmission von Wellenlängen nahe der Absorptionsbande bevorzugt wird. Andererseits erzeugt das Farbstoffmolekül ein „Spiegelbild“ seines elektrischen Dipols im freien Elektronenplasma des Metalls. Dipol und Spiegelbild-Dipol wechselwirken miteinander. Absorbiert das Molekül Licht, überträgt es die Lichtenergie komplett auf die Metalloberfläche, wo sie an Oberflächenplasmonen koppelt, was die Transmission erleichtert. Beide Effkte zusammen ermöglichen es dem Licht, den Metallfilm effektiv zu passieren.

Die Entdeckung ist ein neuer Ansatz, um perforierte Metallfilme mit maßgeschneiderter Transmission im sichtbaren Lichtbereich auszustatten, indem man einfach einen Farbstoff mit der gewünschten Absorptionswellenlänge aufträgt – z.B. interessant für Solarenergietechnik, Filter und Sensoren. Dass Moleküle in vorübergehenden angeregten Zuständen deutlich andere Absorptionseigenschaften haben als im Grundzustand, verleiht diesen Metallfilmen eine zusätzliche dynamische Komponente, die eine Anwendung als rein optische ultraschnelle Schalter eröffnet.