Stuttgarter Forschungserfolg mit Hilfe von Nanoantennen – Herzschlag von Nanoteilchen wird sichtbar

1. Juni 2011 – Auch winzig kleine Nanoteilchen aus Gold, die nur einen Durchmesser von 40 Millionstel Millimeter haben, besitzen so etwas wie einen Herzschlag. Richtet man nämlich einen kurzen Laserpuls auf diese Teilchen, so heizen sie sich für sehr kurze Zeit auf und fangen an zu schwingen. Allerdings sind Nanoteilchen auch in den besten Mikroskopen nicht mehr sichtbar und daher schwierig zu untersuchen. Auf dem Weg dahin hat Juniorprofessor Markus Lippitz vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung zusammen mit seinem Doktoranden Thorsten Schumacher jetzt einen Durchbruch erzielt, der in der Fachzeitschrift Nature Communications publiziert wurde.*) Er nutzte dabei eine Nanoantenne, die von Prof. Harald Giessen am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart bereits als Nanosensor erfolgreich angewendet wurde.

Das Messprinzip: Die dreieckigen Nanoantennen fokussieren die Laserstrahlung in den kleinen Goldpunkt, der zu schwingen beginnt und den durchgehenden Laserstrahl zeitlich moduliert.(Foto Universität Stuttgart)

Durch die Analyse der Schwingungen können Wissenschaftler einiges über das Nanogold lernen: Verhält es sich beim Schwingen wie ein Stück Stahl, spielt eher das Volumen eine Rolle, schwingt es wie ein aufgeblasener Luftballon, wird das Verhalten eher von der Oberfläche dominiert. Dieses spannende, neue Forschungsfeld nennt sich Nanomechanik, und der Stuttgarter Juniorprofessor Markus Lippitz ist einer seiner führenden Vertreter. In seinen Labors am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung befindet sich ein kompliziertes Experiment aus Lasern, Spiegeln und Nanoteilchen. Dieser optische Aufbau ermöglicht es, den Schwingungen wie mit einem Stroboskop zuzusehen. Wenn ein Nanoteilchen in einem Laserstrahl sitzt und gleichzeitig schwingt, so wird die Intensität des Laserstrahls ganz leicht moduliert. Diese feinsten Oszillationen kann Lippitz mit einem speziellen, von ihm entwickelten Verfahren messen.

Prinzip wie bei einem Handy
Lippitz träumt davon, auch die mechanischen Eigenschaften allerkleinster Nanoteilchen zu untersuchen. „Dann wäre das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen riesig, und wir würden ganz neue nanomechanische Eigenschaften erwarten“, erklärt er. Um diesem Traum ein Stück näher zu kommen, platzierte er eine kleine Nanoantenne des Doktoranden Mario Hentschel in die Nähe des winzigen Teilchens. Diese Nanoantenne sorgt dafür, dass das Laserlicht besonders scharf gebündelt und in das zu untersuchende Nanoteilchen eingekoppelt wird. Umgekehrt werden die Lichtmodulationen aufgrund der nanomechanischen Schwingungen sehr effizient wieder in den Laserstrahl eingekoppelt. „Das ist das erste Mal, dass jemand Nanoantennen nutzt, um nichtlineare optische Effekte zeitaufgelöst zu untersuchen. Das Ganze funktioniert wie bei einem Handy, bei dem die Antenne dafür sorgt, dass die elektromagnetischen Wellen in die kleinen Schaltkreise des Handys effektiv ein- und ausgekoppelt werden“, erklärt Lippitz.

Lippitz sieht ein riesiges Anwendungspotenzial für seine neue Methode: „In Zukunft werden wir Nano-Objekte von nur wenigen Nanometern Durchmesser in den Brennpunkt einer Nanoantenne legen und dabei mithilfe von nichtlinearer Optik Abläufe studieren können, die nur wenige Femtosekunden (1 Femtosekunde = 1 Milliardstel einer Millionstel Sekunde) dauern. Dann können wir gleichsam Filme auf der Nanoskala drehen, die die extremste Zeitlupe besitzen, die man sich nur vorstellen kann. Man wird Halbleiter-Quantenpunkte, aber auch chemische und biologische Objekte, wie zum Beispiel kleinste Viren auf diese Art untersuchen können.“ Der Leiter des 4. Physikalischen Instituts, Prof. Harald Giessen, fügt hinzu: „Die Arbeit von Markus Lippitz ist ein weiterer Beweis für die sehr erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut und der Universität Stuttgart. Markus Lippitz ist ein hervorragender Nachwuchswissenschaftler, der auch an die Stuttgarter Exzellenzinitiative im Rahmen der Graduiertenschule „Advanced Condensed Matter Science“ unterstützt. Die Arbeiten von Markus Lippitz wurden vom Land Baden-Württemberg im Rahmen der Juniorprofessoren-Initiative und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziell gefördert.

Weitere Informationen bei Prof. Markus Lippitz, Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Tel. 0049.711-689-1777, e-mail m.lippitz@fkf.mpg.de, sowie bei Prof. Harald Gießen, 4. Physikalisches Institut, Tel. 0049.711/685-65111, e-mail giessen@physik.uni-stuttgart.de

*)Th. Schumacher, K. Kratzer, D. Molnar, M. Hentschel, H. Giessen, and M. Lippitz: Nanoantenna-enhanced ultrafast nonlinear spectroscopy of a single gold nanoparticle, Nature Communications 2 (2011), http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1334

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