Um elektronische Geräte auch zukünftig schneller und leistungsfähiger zu machen, muss man neue und innovative Ansätze zur Kontrolle elektrischer Signale ausloten. Mit der Untersuchung der ultraschnellen Emission von Elektronen aus sogenannten plasmonischen Nanostrukturen forscht die Nanooptik Arbeitsgruppe des Instituts für Physik in diese Richtung. Die in Zusammenarbeit mit dem Wigner Forschungszentrum in Budapest erzielten Ergebnisse sind wie zwei vorangegangene Arbeiten in den renommierten Nano Letters erschienen.
Durch die resonante Anregung ihrer Leitungselektronen verstärken plasmonische Nanostrukturen ein einfallendes Lichtfeld und konzentrieren es in Raumbereiche, die Bruchteilen der Lichtwellenlänge entsprechen. Dadurch wird nicht nur die Photoemission eines Elektrons ermöglicht, dieses Elektron wird durch das plasmonische Feld auch stark beschleunigt. Dies ist wiederum durch spektroskopische Messungen der Elektronenenergie einfach nachweisbar. Die jedenfalls nötigen hohen Lichtintensitäten werden durch Laserpulse mit Dauern weniger Femtosekunden erzielt, was auch die ultraschnelle Kontrolle der Prozesse ermöglicht.
Die genaue Analyse der experimentellen Elektronenspektren erwies sich zusammen mit einer quantenmechanischen Beschreibung als Schlüssel zum Verständnis der bislang unklaren jeweiligen Beiträge zweier Mechanismen der Photoemission. Einerseits kann ein Elektron die zur Emission nötige Energie durch die Absorption mehrerer Photonen aufnehmen. Andererseits kann das einfallende Lichtfeld zu einer Tunnelemission des Elektrons führen. Tatsächlich treten für messtechnisch und technologisch relevante Lichtintensitäten beide Effekte zusammen auf. Das nunmehr gewonnene Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen klärt nicht nur eine fundamentale Fragestellung, sondern ermöglicht auch die gezielte Nutzung der Effekte für zukünftige Anwendungen.
Béla Lovász, Péter Sándor, Gellért-Zsolt Kiss, Balázs Bánhegyi, Péter Rácz, Zsuzsanna Pápa, Judit Budai, Christine Prietl, Joachim R. Krenn, Péter Dombi, Nonadiabatic Nano-optical Tunneling of Photoelectrons in Plasmonic Near-Fields, Nano Letters 22, 2303–2308 (2022)
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04651