Optische Technologien aus niedersächsischen Hochschulen

OPTISCHE SYSTEME UND MATERIALIEN 16 | 17
Sehen auf der Nanoskala:
Optische Spitzenforschung im doppelten Sinn
Eine Vielzahl von Dingen unseres Alltags
nehmen wir mit dem Gesichtssinn wahr. Mit
bloßem Auge können wir allerdings nur solche
Dinge sehen, die etwa so groß sind wie
ein menschliches Haar. Werden die Dinge
kleiner, benutzen wir zur optischen Vergrößerung
seit Hunderten von Jahren
Linsen und Mikroskope. Aufgrund von Beugungseffekten
endet die räumliche Auflösung
optischer Mikroskope im sichtbaren
Spektralbereich bei etwa einem halben
Mikrometer. Objekte mit Abmessungen im
Nanometer-Bereich können konventionelle
optische Mikroskope also nicht auflösen.
> Carl von Ossietzky Universität
Oldenburg
Institut für Physik
AG Ultraschnelle Nano-Optik
26111 Oldenburg
> Forschungsbereiche
Nano-Optik, Ultrakurzzeitspektroskopie,
Energie- und Halbleiterforschung,
Hörforschung,
Meeresforschung
> Kooperationspartner
Max-Born-Institut für Nichtlineare
Optik und Kurzzeitspektroskopie,
Berlin
> Patent
„Verfahren und Vorrichtung zur
optischen Mikroskopie mit Subwellenlängenauflösung”
(Christoph Lienau, Gerd Behme,
Alexander Richter, Marco Süptitz,
Thomas Elsaesser) DE19714346B4
Nanostrukturen, ob halbleitend, metallisch,
photonisch oder biologisch, sind in den letzten
Jahren immer wichtiger geworden. Die
Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig
und reichen von Pfannen- und Fensterbeschichtungen
über neuartige Sensoren bis
hin zu Halbleiterlasern, die auf Quantenpunkten
basieren. Um die Eigenschaften
von Nanostrukturen aufklären und optimieren
zu können, arbeiten Forscher weltweit
an der Entwicklung neuer Techniken, die das
Sehen auf der Nanoskala möglich machen
und die vielfältigen Kontrastmechanismen
der optischen Spektroskopie nutzen können
– speziell die mit ultrakurzen Lichtblitzen
erreichbare Zeitauflösung von wenigen
Femtosekunden (fs). Eine Femtosekunde
sind 10 -15 Sekunden, das ist ein Milliardstel
einer Millionstel Sekunde.
Hohe Auflösung mit winzigen
Lichtflecken
Die Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nano-
Optik” am Institut für Physik der Universität
Oldenburg erzeugt extrem kleine Lichtflecke
von wenigen Nanometern und nutzt sie zur
optischen Spektroskopie mit Subwellenlängenauflösung.
Die Oldenburger Physiker
verwenden zwei unterschiedliche Techniken,
um Licht zu lokalisieren: Zum einen lassen
sie Licht durch kleine Löcher am Ende
von hauchdünnen, mit Metall ummantelten
Glasfaserspitzen tunneln. Am Ende der Spitze
bestimmt dann nicht die Wellenlänge des
Blick in das optische Tieftemperatur-Nahfeldmikr oskop
Lichts die Größe des Lichtflecks, sondern der
Durchmesser der Öffnung. Reproduzierbar
sind Öffnungen mit etwa 40 bis 50 Nanometer
Durchmesser, so dass die maximale
Auflösung etwa ein Fünfzehntel der Lichtwellenlänge
beträgt. Noch deutlich höhere
Auflösungen bis zu etwa zehn Nanometern
werden erzielt, wenn ultrafeine Metallspitzen
beleuchtet werden. Hierbei nutzen die
Wissenschaftler aus, dass das Lichtfeld ganz
am Ende der Spitze stark überhöht ist.
Ausbreitung von ultrakurzen Lichtimpulsen
durch eine metallbedampfte Glasfaserspitze
mit 50 nm Öffnungsdurchmesser
Um mit solchen Lichtflecken Bilder zu erstellen,
werden die Spitzen wie in Rasterkraftmikroskopen
mit Piezostelltechniken über
die Oberfläche der zu untersuchenden Probe
gefahren. Punkt für Punkt wird die
gewünschte Information aufgezeichnet –
zum Beispiel das transmittierte oder reflektierte
Licht oder auch die nach Beleuchtung
der Probe abgestrahlte Lumineszenz. Auf
Optische Nahfeldspektroskopie von zwei
gekoppelten Halbleiter-Quantenpunkten.
Sogenannte Rabi-Oszillationen (rechts)
zeigen, dass es mit ultrakurzen Lichtimpulsen
gelingt, die Elektronenbewegung
in solchen Quantenstrukturen zu kontrollieren
(T. Unold et al., Physical Review
Letters 94, 137404 (2005)).
Nahfeldmikroskopie
Die Oldenburger Forscher haben ein spezielles
Nahfeldmikroskop entwickelt, um
Materialien bei Temperaturen im Bereich
zwischen zehn Kelvin und Raumtemperatur
untersuchen zu können. Damit eignet es sich
besonders für die Untersuchung von Festkörpermaterialien
wie Halbleiterquantendrähten
und -punkten, metallischen und
magnetischen Nanostrukturen, aber auch
photonischen und plasmonischen Kristallen.
Inzwischen haben die Wissenschaftler eine
Reihe weiterer Mikroskope, die auf diesem
patentierten Verfahren basieren, entwickelt
und an Forschergruppen in Deutschland,
Schweden und demnächst auch in den USA
verkauft. Zurzeit werden die Mikroskope im
Wesentlichen in der Grundlagenforschung
zur Untersuchung von Halbleiter-Nanostrukturen
und von Dünnschicht-Solarzellen eingesetzt.
Die Oldenburger Arbeitsgruppe setzt die
Nahfeldmikroskope ein, um zum Beispiel
Halbleiter-Nanostrukturen zu erforschen.
Den Wissenschaftlern gelang es vor kurzem,
die Elektronenbewegung in einzelnen und
erstmalig auch in zwei gekoppelten Quantenpunkten
direkt mit ultrakurzen Lichtimpulsen
sichtbar zu machen. Solche Experimente
sind nicht nur für ein besseres Verständnis
unerlässlich, sondern stellen auch
einen weiteren Schritt zu einer halbleiterbasierten
Quanteninformationstechnologie
dar. Weitere Forschungsschwerpunkte bilden
die ungewöhnlichen optischen Eigenschaften
sogenannter plasmonischer Kristalle
und die Untersuchung neuer Materialien
zur Energiewandlung.
Gemessene Zeitstruktur der auf einen
metallischen plasmonischen Kristall einfallenden
und durch ihn transmittierten
ultrakurzen Lichtimpuls (C. Ropers et al.,
Physical Review Letters 94, 113901 (2005) ).
Das Experiment weist eine ungewöhnlich
lange Speicherung des Lichtfeldes in der
Metall-Nanostruktur nach, was für die
Nutzung plasmonischer Kristalle in der
Nanosensorik wesentlich ist.
> Ansprechpartner
Prof. Dr. Christoph Lienau
Tel.: 0441.798-3485
Fax. 0441.798-3890
Mail: christoph.lienau@unioldenburg.de
Web: www.physik.unioldenburg.de/uno
Lichtlokalisierung: Metallummantelte Glasfaserspitze mit kleiner Öffnung
(links). Feldüberhöhung am Ende von ultrafeinen Metallspitzen (rechts).
Die räumlichen Abmessungen des Lichtflecks werden durch den Krümmungsradius
der Spitze, etwa 10 nm, und nicht durch die Wellenlänge
des Lichts bestimmt.
diese Weise entsteht in einem optischen Nahfeldmikroskop
ein zweidimensionales Abbild
der optischen Eigenschaften der Probe.