Unsichtbare Lichtblitze entzünden Nano-Feuerwerk - Photonik

Unsichtbare Lichtblitze entzünden Nano-Feuerwerk

Ein neuer Weg, der transparente Nanoteilchen lichtundurchlässig macht und mit Laserlicht blitzschnell aufheizt, könnte ungeahnte Möglichkeiten für eine präzise Materialbearbeitung und in der Nanomedizin eröffnen.

Bild: M. Arbeiter, T. Fennel / Uni Rostock
Nano-Feuerwerk wird entzündet

Intensive Lichtpulse können transparentes Material in ein Plasma verwandeln, das Lichtenergie anschließend effizient einfängt. Wissenschaftler vom Institut für Physik der Universität Rostock und vom Max Born Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin konnten diesen Prozess nun präzise kontrollieren.

Die Wissenschaftler untersuchten die Wechselwirkung intensiver nah-infraroter (NIR) Laserblitze mit nur wenigen nanometergroßen Teilchen aus einigen Tausend Argonatomen – sogenannten Atomclustern. Das sichtbare NIR-Licht allein kann ein Plasma nur dann erzeugen, wenn seine elektromagnetischen Wellen so stark sind, dass es einzelne Atome ionisiert. Die Forscher konnten diese Zündungsschwelle umgehen, indem sie die Cluster mit einem zweiten, deutlich schwächeren Femtosekunden-Lichtblitz im extrem-ultravioletten Spektralbereich (XUV) bestrahlten. Dadurch haben sie den Energieeinfang auch für unerwartet schwaches sichtbares Laserlicht “angeschaltet” und beobachteten ein Nano-Feuerwerk, bei dem Elektronen, Ionen und farbiges Fluoreszenzlicht von den Clustern in verschiedene Richtungen ausgesandt wurden.

Die Beobachtung, dass Argoncluster selbst bei moderater Lichtintensität stark ionisiert wurden, sei sehr überraschend, erklärt Dr. Bernd Schütte vom MBI. Obwohl der zusätzliche XUV-Lichtblitz sehr schwach sei, sei seine Anwesenheit entscheidend: ohne den XUV-Zündungspuls blieben die Nanopartikel unverändert und transparent für das sichtbare Licht.

Wissenschaftler um Prof. Thomas Fennel von der Universität Rostock konnten das Geheimnis der Synergie der beiden Lichtblitze durch Computersimulationen lüften. Sie fanden heraus, dass die Bereitstellung einiger weniger „Keim“-Elektronen durch die ionisierende XUV-Strahlung genügen, um diese dann durch das sichtbare Licht aufzuheizen, wodurch weitere Elektronen aus benachbarten Atomen herausgeschlagen werden. Letztlich heizten sich die Partikel so stark auf, dass hochgeladene Ionen erzeugt werden könnten und zerplatzten, erklärt Prof. Fennel.

Das neuartige Konzept der Zündung einer Ionisationslawine durch XUV-Licht macht es möglich, die Starkfeldionisation von Nanoteilchen und Feststoffen räumlich und zeitlich extrem genau zu kontrollieren. Die Zündungsidee eröffnet einen Weg, die Ionisation von Nanoteilchen zu verfolgen und einzustellen, und zwar im Bereich von Attosekunden. Die Wissenschaftler erwarten, dass die Zündungsmethode in vielen transparenten Materialien funktioniert, also beispielsweise auch in Glas oder Plastik. Der Vorteil ergibt sich aus den Eigenschaften der XUV-Lichtblitze, die auf eine viel kleinere Fläche fokussiert werden können und so eine höhere Präzision bei der Plasmazündung erlauben. Gleichzeitig lässt sich die Effizienz erhöhen, da, verglichen mit gängigen Verfahren, sichtbare NIR-Pulse mit viel geringerer Intensität ausreichend sind. Daraus könnten zukünftig neue Methoden in der Nanolithografie und Nanomedizin entstehen.

Originalveröffentlichung:

[B. Schütte, M. Arbeiter, A. Mermillod-Blondin, M. J. J. Vrakking, A. Rouzée, T. Fennel, Ionization avalanching in clusters ignited by extreme-ultraviolet driven seed electrons, Physical Review Letters 116 (2016, DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.033001]

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