Magnetoinduktive Kopplung und laterale Propagation optischer Anregungen in Metamaterial–Ketten auf der Nanometer–Skala

Rasterelektronen-mikroskopische Aufnahme von plasmonischen Molekülen aus Gold Nanopartikeln. Eine einfallende Lichtwelle kann kollektive Oszillationen der quasifreien Leitungselektronen in Metall-Nanopartikeln anregen. Diese sogenannten plasmonischen Resonanzen sind mit starken lokalen Feldüberhöhungen verbunden. Bringt man nun mehrere dieser Metall-Nanopartikel zusammen, können sie über lokale Felder wechselwirken und kollektive Zustände ausbilden. Dieses Verhalten ist in direkter Analogie zu Molekülen, bei denen ebenfalls sowohl die Anzahl als auch die Anordnung der Atome die Hybridisierung der Elektronenwellenfunktionen und damit die Eigenschaften der Moleküle bestimmt. Die optischen Eigenschaften dieser plasmonische Moleküle, auch Oligomere genannt, können somit durch die Anordnung der Einzelpartikel gezielt manipuliert und maßgescheidert werden.

Berechnete Intensitätsverteilung von azimuthal (a und b) und radial (c und d) polarisierten Laserstrahlen im Focus eines Parabolspiegels mit einer numerischen Apertur von 0.998. Darstellung a) und c) sind x,z Schnitte, b) und c) x,y Schnitte durch den jeweiligen Focus. Schön zu sehen ist, dass im azimuthal polarisierten Focus die Polarisation nur in der x,y Ebene liegt, jedoch im radial polarisierten Focus die Feldvektoren auch in die z Richtung weisen. Diese höchste Intensität dieses z-polarisierten Feldes befindet sich im Zentrum des focalen Feldes.

Simulierte Nahfeld-Verteilungen plasmonischer Oligomere bei Anregung mit einem radial (links) und azimuthal (rechts) polarisiertem Lichtfeld. Die beiden Polarisationszustände entsprechen hervorragend der Symmetrie der Strukturen und regen daher Eigenzustände der Oligomere an. Diese Tatsache spiegelt sich in der hohen Symmetrie der Nahfelder wieder. Insbesondere die starke Einschränkung des Feldes zwischen die Partikel und die daher hohe Feldüberhöhung im Falle azimuthaler Anregung ist von großem technischen Nutzen. Die überhöhten Nah-Felder lassen sich für eine Vielzahl von Anwendungen nutzbar machen, so z.B. für plasmonische Sensoren oder für nicht-lineare Optik.