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Mikromechanische Antennen ändern die Richtung, in der Moleküle Licht im nahen IR abstrahlen

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Optisch angeregte Moleküle strahlen Licht normalerweise isotrop ab. Mikromechanische Metallstäbe ändern nicht nur die Abstrahlungsrichtungen, sondern auch die Zeitkonstante des Zerfalls, also die Lebensdauer des angeregten Zustands. Spekulieren ließe sich über eine potentielle Anwendung in der Quanteninformationsverarbeitung.

Ein Hertzscher Dipol strahlt nicht in Richtung der Beschleunigung der elektrischen Ladungen ab, am höchsten ist die Abstrahlungsleistung senkrecht dazu, der Jargon bezeichnet die Abstrahlungscharakteristik des Dipols einfach als Keule. Je nach Abmessungen einer Antenne lassen sich räumliche Abstrahlungscharakteristik und Hochfrequenz- (HF)-Abstrahlungsleistung beeinflussen; dies zeigt sich, wenn ein HF-Signal am Ende eines Koaxialkabels auf eine Antenne trifft.

Die Analogie zwischen einer HF-Antenne und der Quantenoptik: Eine an ein Koaxialkabel angeschlossene Antenne bewirkt ein Abstrahlen in gewissen Vorzugsrichtungen. Die Lichtemission eines angeregten einzelnen Moleküls lässt sich mit winzigen Metallstäben beeinflussen: Ohne Antenne strahlt das Molekül das Licht normalerweise isotrop ab, mit Antenne vor allem senkrecht zu den Metallstäben. (Bild: Jean-Jacques Greffet, Laboratoire Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion des französischen CNRS in Châtenay-Malabry)

Metalle sind perfekte Spiegel, die alle auftreffende HF-Strahlung bis in den IR-Bereich reflektieren. Im optischen Bereich und erst recht im Ultravioletten ist dem nicht mehr so. Die elektromagnetischen Wellen können ins Metall eindringen und dort möglicherweise resonant absorbiert werden – je nach Frequenz der Strahlung. Wie lässt sich nun die spontane Emission von Atomen und Molekülen beeinflussen?

Im Vakuum ist die mittlere Zeitspanne, die ein Elektron braucht, um von einem oberen Orbital in ein unteres zu fallen, konstant. Seit 1946 ist jedoch bekannt, dass sich die Zeitspanne dieser Abregung in elektrisch leitenden Hohlräumen ändern kann, je nach dessen Geometrie, sofern die Ausdehnung in der Größenordnung der Wellenlänge der Strahlung liegt. Die spontane Emission lässt sich beschleunigen oder behindern. Dieser Effekt lässt sich insbesondere für die Emission von Mikrowellen nutzen, neuerdings auch für photonische Kristalle. Eine Antenne vermag die Lichtemission eines einzelnen optisch angeregten Moleküls zu beeinflussen, sofern die Metallspitze hinreichend nahe sind.

Wissenschaftler der Uni Basel haben winzige Antennen aus Gold gebaut, deren Länge gleich einer halben Wellenlänge der abgestrahlten Lichtfrequenz ist, so dass der Strom darin oszillieren kann – mit einem Maximum in der Mitte und an den Enden verschwindend.

Der Vergleich zwischen den Teilbildern C und D zeigt – vor allem – die drastische Differenz der Intensitäten bei unterschiedlichen Antennenlängen. Die Lichtintensität ist im oberen und im unteren Teilbild um den Faktor 10 vergrößert aufgetragen. Der eingeblendete weiße Maßstab ist 200 nm lang. (Bild: Bert Hecht, Uni Basel)

Eine anschauliche mechanische Analogie der Antenne ist eine eingespannte Saite. Die kleinste Frequenz, mit der schwingen kann, ist gerade so groß, dass ihre Länge einer halben Wellenlänge der Schallwelle entspricht. Die Länge ist jedoch kürzer als die Hälfte der Lichtwellenlänge im Vakuum, da der Brechungsindex des Metalls zu berücksichtigen ist. Die Vakuumlichtwellenlänge beträgt 830 nm, sie liegt also im nahen IR. Die Schweizer berichten ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 10. Juni 2005 der Zeitschrift Science in Band 308 auf Seite 1607, die Lichtintensität und die räumliche Abstrahlungscharakteristik variieren mit der Länge der Antenne.

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