Simulation von Elektronenenergieverlustspektroskopie

Die Abbildung und Untersuchung von Plasmonen und metallischen Nanostrukturen ist eine herausfordernde Aufgabe. Ersetzt man bei der Beobachtung Photonen durch Elektronen, eröffnen sich durch die höhere Auflösung viele neue Perspektiven und experimentelle Möglichkeiten. In diesem Projekt geht es um die theoretische Beschreibung solcher Experimente mit hochenergetischen Elektronen. Der entsprechende mathematische Formalismus wird in zwei entgegengesetzte Richtungen erweitert: Zuerst wird ein Konzept für retardierte Eigenmoden für große Nanostrukturen entwickelt, das eine intuitive Interpretation der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse erlaubt. Die 3D- Rekonstruktion von Elektronenenergieverlust-Daten mit Hilfe von Tomographie-Algorithmen bietet sich hierfür als hervorragendes Werkzeug an, mit der die theoretischen Vorhersagen in Kollaboration mit andern Forschungsgruppen auch experimentell überprüft werden können. Danach wird das Augenmerk auf winzige Nanoteilchen und kleine Gap-Abstände gelegt, wo nichtlokale Effekte zu gravierenden Abweichungen von herkömmlichen, lokalen Berechnungen führen können. Deshalb soll im weiteren Projektverlauf ein entsprechendes nichtlokales Modell auf Basis einer ortsabhängigen dielektrischen Funktion entwickelt werden, das sich problemlos in den verwendeten Formalismus integrieren lässt und die physikalischen Vorgänge auch für kleine Strukturen korrekt wiedergibt.

Die Untersuchung von optischen Phänomenen im Zusammenhang mit den elektromagnetischen Eigenschaften von metallischen Nanopartikeln hat zur Entwicklung eines florierenden und stark interdisziplinären Forschungsfeldes namens Plasmonik geführt. Der Name dieses Feldes rührt von den Elektronen-Schwingungen her, die sich an der Grenzschichte zwischen einem Metall und einem Dielektrikum ausbreiten - ähnlich wie die Wellen an der Oberfläche eines Sees, nachdem man einen Stein hineingeworfen hat. Diese Elektron-Schwingungen erlauben es Licht in plasmonischen Strukturen auf die Nanoskala zu zwängen und bergen ein unglaubliches Potential für mögliche Anwendungen in sich. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie war schon immer eine Fundgrube für neue technische Errungenschaften und die Versprechen der Plasmonik reichen von hoch effizienten Solarzellen und Sensoren über Unsichtbarkeit mit sogenannten Metamaterialien, neuen Formen der Krebstherapie, bis hin zu neuartigen superschnellen optischen Computerchips und Datenspeichern. Plasmonische Bauteile können auch eine zukünftige saubere und nachhaltige Gesellschaft prägen, z.B. durch ihre Auswirkungen auf die Art und Weise wie wir chemische Prozesse manipulieren, verstärken, beobachten und lenken. Viele dieser Mechanismen und Anwendungen verlangen ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen auf der Nanoskala und der Eigenschaften der involvierten Materialen. Jedoch ist die Abbildung und Untersuchung von Plasmonen und metallischen Nanostrukturen eine herausfordernde Aufgabe. Ersetzt man bei der Beobachtung Photonen durch Elektronen, eröffnen sich durch die höhere Auflösung viele neue Perspektiven und experimentelle Möglichkeiten. In diesem Forschungsprojekt ging es um die theoretische Beschreibung solcher Experimente mit hochenergetischen Elektronen. Der Forschungsoutput dieses Projekts umfasst eine Vielzahl an Themen, insgesamt konnten 12 Fachartikel in peer-review Journalen veröffentlicht werden, darunter auch eine Arbeit im hoch angesehenen Nature Journal und eine Arbeit in Nature Communications. 2016 erschien außerdem auch noch ein Fachbuch mit dem Titel Optical Properties of Metallic Nanoparticles: Basic Principles and Simulation im Springer Verlag, das eine allgemeine Einführung in die Plasmonik mit einem Schwerpunkt auf numerische Simulationen darstellt. Die wichtigsten Forschungsergebnisse aus diesem Projekt umfassen ein besseres Verständnis von Wechselwirkungen auf der Nanoskala, neue Untersuchungs- und Abbildungsmethoden basierend auf Computertomographie sowie neue Techniken für numerische Simulationen und neue theoretische Konzepte für die Beschreibung plasmonischer Wechselwirkungen. Einige dieser Themen wurden auch im vom FWF geförderten Wissenschaftskommunikationsprojekt QUANT (http://quant.uni-graz.at/) für Schülerinnen und Schüler aufgearbeitet und der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.