Zeitschrift Nature veröffentlicht Studie über die Partnerschaft zwischen deutschen und brasilianischen Institutionen

© Artigo "Deep strong light–matter coupling in plasmonic nanoparticle crystals"

Stellen Sie sich vor, Sie finden eine Münze in Ihrem Garten. Sie untersuchen sie genauer und stellen fest, dass es sich möglicherweise um einen kleinen Schatz handelt, der Ihnen Türen öffnen kann. Auch wenn der Vergleich hinken mag, zeigt er mehr oder weniger das, was dem brasilianischen Wissenschaftler Eduardo Bedê passiert ist.

Als er anfing, Kristalle von Nanomaterialien zu untersuchen, ahnte der Forscher nicht, dass er zwei Jahre später zu einem revolutionären Ergebnis gelangen würde. Gemeinsam mit Forschern der Freien Universität Berlin und der Universität Hamburg entdeckte der Leiter der Physikabteilung an der Bundesuniversität Ceará (UFC), was der Ausgangspunkt für die Entwicklung „photonischer Computer” sein könnte – schneller und mit Laufwerken, die sich weniger erwärmen als die aktuellen.

Bedê ist spezialisiert auf Nanomaterialien – Objekte mit einer Länge zwischen einem und 100 Nanometern, deren Eigenschaften entsprechend ihrer Größe untersucht und modifiziert werden. Zu Vergleich, ein Haar hat eine Dicke von ungefähr 70.000 Nanometern.

Mit dem Ziel, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen – leichte Materialien und hervorragende Leiter – zu untersuchen, führte seine Forschungsgruppe ein Experiment durch, bei dem Graphen auf Goldkristalle aufgetragen und mit Licht von oben bestrahlt wurde. „Die ursprüngliche Idee war, die Wechselwirkung zwischen Licht und Gold als Verstärker des elektrischen Feldes zu nutzen, um die beiden Nanomaterialien zu untersuchen”, beschreibt Bedê die anfängliche Zielsetzung der Studie. „Danach haben wir jedoch festgestellt, dass diese Materialien in einer zuvor noch nie beobachteten Intensität und Effizienz mit Licht interagieren”, erläutert der Forscher. Die Ergebnisse landeten in der renommierten Zeitschrift Nature.

Eduardo Bedê (links), Bruno Gondim und Stephanie Reich, von der FU Berlin.

Entwicklung der Forschung
In dieser Partnerschaft stellte die Universität Hamburg die Proben für die Forschung zur Verfügung, die FU Berlin führte die Experimente durch und Eduardo Bedê und der damalige Doktorand Bruno Gondim von der UFC waren für die theoretischen Computerrechenmodelle zuständig, mit denen man die praktischen Ergebnisse erklären konnte.

In den meisten Systemen haben Licht und Elektron getrennt voneinander hohe Energieniveaus, aber sie interagieren nur sehr schwach miteinander. Im Fall der Studie liegt die Neuheit in einer nie zuvor beobachteten Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen [der goldenen Kugeln], die es unmöglich macht, sie voneinander getrennt zu interpretieren. „Dieses Niveau der Interaktion führt dazu, dass die Eigenschaften und das Verhalten [des Systems] völlig unterschiedlich sind”, sagt der Physiker. Es ist ähnlich wie bei einem Wassermolekül. Sauerstoff und Wasserstoff haben jeweils ihre eigenen Eigenschaften, aber wenn sie zusammenkommen und ein H2O-Molekül bilden, gewinnen sie neue Eigenschaften.

Photonische Computer
In heutigen Computern bewegen sich viele Elektronen, wodurch sich die Maschine erwärmt. Außerdem limitiert die Masse der Elektronen auch die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung.

Ausgehend von der Studie wurde beobachtet, dass das System, sobald das neue Teilchen zwischen Licht und Kristallen erzeugt ist, aufhört, mit Elektronen zu interagieren. Im Prinzip würde dies viel weniger Energie verbrauchen (und die Computer weniger erwärmen), und die Datengeschwindigkeit könnte größer sein, da die Masse, die das Licht aufnimmt, geringer ist als die der Elektronen.

Geplante Anwendungen
In Bezug auf andere Anwendungsmöglichkeiten gibt Bedê offen zu, dass noch viel Forschung und Studien erforderlich seien. Optische Filter oder die Verwendung des Systems als Photokatalysator sind neben photonischen Computern einige der Optionen – die Anwendungsmöglichkeiten sind also noch spekulativ, obwohl sie vielversprechend sind. „Wir haben etwas völlig Neues entdeckt. Jetzt liegt die Grenze im Himmel, aber gleichzeitig wissen wir immer noch nicht, bis wohin sich dieser Himmel erstreckt”, beschreibt der Forscher.

Nächste Schritte
Die Wissenschaftler planen nun, neue Nanomaterialien mit formbaren Eigenschaften zu untersuchen und herzustellen. Hamburger Forscher versuchen bereits, eine Technik zur Herstellung neuer Kristalle zu entwickeln, deren Eigenschaften von der UFC berechnet werden sollen. „Die Idee ist, die Systemkonfiguration zu ändern, um neue Eigenschaften zu finden”, fügt Eduardo Bedê hinzu, der zusammen mit den von Stephanie Reich an der FU Berlin geleiteten Gruppen und mit Florian Schulz von der Universität Hamburg auf das Ergebnis dieses neuen Projekts wartet, das der Deutschen Forschungs-Gesellschaft (DFG) vorgelegt wurde.

Der in Nature veröffentlichte Artikel ist unter https://www.nature.com/articles/s41586-020-2508-1 verfügbar.

Von Beatriz Gatti