Projektbereich C: Optische und magnetische Eigenschaften von Nanostrukturen

Optische und magnetische Eigenschaften von Nanostrukturen sowie die daraus resultierenden Funktionen, welche im Fokus des Projektbereichs C stehen, sind physikalisch aufs Engste mit deren elektronischen Eigenschaften verknüpft. Insofern gibt es einen unmittelbaren und sehr engen Zusammenhang mit Projektbereich B. Die Tatsache, dass dennoch den Teilgebieten Nano-Optik und Nano-Magnetismus ein eigener Bereich zugeordnet wird, spiegelt die auf diesen Feldern bereits durch Grundlagenforschung erzielten signifikanten Fortschritte wider, welche Perspektiven für wichtige Anwendungen eröffnen.

Auf dem Gebiet der Nano-Optik, welches sich ganz allgemein mit der Wechselwirkung von Licht mit nanoskaligen Strukturen beschäftigt, haben sich die bereits etablierten Techniken wie „Optische Nahfeld-Raster-Mikroskopie und -Spektroskopie“ oder der Einsatz von halbleitenden und metallischen Nanopartikeln als Lichtquellen insbesondere mit dem Ziel hin zu Einzelphotonenquellen kontinuierlich weiterentwickelt. Im letzteren Fall berühren sich zwei vielversprechende Entwicklungsfelder: Die Nano- und die Quanten-Optik. Den augenscheinlichsten Fortschritt im Bereich der nanoskaligen Optik – photonische Kristalle, Gegenstand eines sich ebenfalls spektakulär entwickelnden Gebiets moderner Optik, sind wegen ihrer deutlich größeren Längenskalen nicht im Netzwerk vertreten – hat wohl das englischsprachig als „Plasmonics“ bezeichnete Teilgebiet erzielt. Dabei steht die resonante Einkopplung von Licht in metallische Nanostrukturen durch Umwandlung in Oberflächenplasmonen und deren nachfolgende Führung in solchen Strukturen im Vordergrund. Diese Führung in metallischen Streifen oder auch Ketten metallischer Nanopartikel mit Ausdehnung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung von rund 50 nm bedeutet eine signifikante Konzentration des Lichtfeldes im Vergleich zu dielektrischen Wellenleitern und eröffnet somit eine Perspektive hin zu stark erhöhten lokalen Lichtintensitäten. In Wechselwirkung mit geeignet angebrachten Nano-Antennen oder Molekülanordnungen kann so auf anwendungsrelevante Erhöhungen der Ausbeute nicht-linearer Effekte gehofft werden.

All die genannten Perspektiven der Nano-Optik werden auch von Teilprojekten des Bereichs C angesprochen. Dabei knüpft C1 unmittelbar an die elektronischen Eigenschaften des B-Bereichs an. Speziell geht es dort darum, durch Adsorbate hervorgerufene Änderungen des elektronischen Systems von ZnO-Nanosäulen, die dann zu Änderungen des Brechungsindex und damit zu geänderten Resonatoreigenschaften der Säulen führen, optisch und somit Potential-frei auszulesen, um so empfindliche Sensoren zu erhalten.

Der Lichttransport durch eine Reihe nanoskaliger metallischer Resonatoren in Kombination mit optischer Nahfeld-Detektion zum Nachweis eines solchen Transports steht im Zentrum von C2, welches damit, wie C3 und C6, klar zum Forschungsbereich „Plasmonics“ gehört. So wird in C3 der bereits angesprochene plasmonische Ansatz verfolgt, Licht resonant einzukoppeln, zu führen und in seiner Intensität lateral zu konzentrieren, um die Effizienz nicht-linearer Effekte zu erhöhen. Dabei besteht ein enger Bezug zu C6, wo Nahfeldeffekte und Energietransfer in heterogenen Systemen, bestehend aus Seltenerd-dotierten Oxid-Nanopartikeln eingebettet in metallischen Strukturen, untersucht werden sollen. Dagegen wird durch die Projekte C4 und C5 das Kerngebiet Plasmonics dadurch erweitert, dass deren Fokus auf Fragestellungen liegt, die mit dem Feld der Quanten–Optik überlappen. So soll in C4 die Kopplung einzelner Farbzentren in Diamant an plasmonische Nanostrukturen und optische Mikroresonatoren untersucht werden, während in C5 Einzelphotonen–Emitter im Vordergrund stehen. Die Einkopplung von Licht in metallische und molekulare Strukturen und die damit verknüpften Änderungen im elektronischen Transport sind im Übrigen auch in mehreren Projekten des B-Bereichs von erheblicher Bedeutung, so im Projekt B4, in dem lichtinduzierte Effekte beim elektronischen Transport durch atomare metallische Punktkontakte untersucht werden, sowie im Projekt B2, in dem Moleküle zwischen metallischen Kontakten als elektrische Schalter verwendet werden sollen.

Vergleichbare Fortschritte wie Plasmonics in der Nano-Optik kann das Gebiet Spintronics im Nano-Magnetismus aufweisen. Ursprünglich spinabhängige Transportphänomene bezeichnend, etwa die beiden bekanntesten, den „Giant MagnetoResistance“ (GMR) und den „Tunneling MagnetoResistance“ (TMR), umfasst der Begriff heute auch das Schreiben, Speichern und Auslesen magnetisch kodierter Information. Auf Grund der angestrebten immer höheren Informationsdichte führen die spintronischen Zielsetzungen automatisch zu Präparations- und Charakterisierungsmethoden der Nanotechnik. Die wichtigsten Anwendungsperspektiven finden sich in der Informationstechnologie, insbesondere bei den magnetisch statischen und den dynamischen nicht-flüchtigen (MRAM) Speichermedien, aber auch in der Sensorik. Ähnlich wie im obigen Optikteil, wo Nano-Optik das Gebiet Plasmonics einschließt, so ist Spintronics ein Teilgebiet des Nano-Magnetismus, der eben auch statische Spinstrukturen und ihre Geometrieabhängigkeit auf der Nanoskala behandelt sowie ihre Dynamik bei Ummagnetisierungsprozessen. Dieser letztere Prozess setzt die Zeitskala etwa beim Schreiben eines magnetischen Bits und ist somit elementar für Speicheranwendung.

Als zukünftige Klammer zwischen Nano-Optik und -Magnetismus könnte der sich abzeichnende gemeinsame Trend hin zu makroskopischen Quantenzuständen wirken: Ähnlich der Annäherung von der Nano-Optik hin zur Quanten-Optik mit dem Ziel, kohärente Zustände herzustellen und zu nutzen, findet man gemeinsame Fragestellungen von Nano-Magnetismus und Quantum Engineering & Computing auf der Basis von Spin-Qubits. Auch unter diesem Gesichtspunkt erscheint die Zusammenfassung optischer und magnetischer Eigenschaften von Nanostrukturen in einem Projektbereich sinnvoll.

Von den nanomagnetischen Projekten des C-Bereichs ist C7 wieder am engsten verknüpft mit den Fragestellungen nach dem Einfluss elektronischer Eigenschaften auf die Zielgröße Magnetismus. Konkret werden magnetische Nanoinseln (3d-Elemente, CoPt) auf dem neuartigen Substrat Graphen deponiert und dessen Einfluss auf das Wachstum und die magnetischen Eigenschaften der Nanoinseln untersucht. Insbesondere soll durch Messung auch an einzelnen Inseln deren Spinstruktur aufgeklärt und mit theoretischen Ergebnissen verglichen werden. Das präparative und messtechnische Knowhow mehrerer Gruppen mit bereits eingespielter Kooperation wird in C8 zusammengeführt. Dieses Projekt stützt sich auf die bereits vorhandene Kompetenz, mittels kolloidaler und mizellarer Methoden geordnete Nanopartikel auf der Nanoskala herzustellen, die jetzt mit Dünnschichttechniken kombiniert werden sollen, um so perkolative Speichermedien hoher Dichte zu erhalten. Eine klassische Spintronics-Fragestellung nach dem Spintransport nimmt C9 auf, allerdings angewandt auf einzelne molekulare Magnete. Eine solche Fragestellung lässt sich erst seit allerjüngster Zeit durch weiterentwickelte Messtechniken angehen. Ein ebenfalls zum Bereich Spintronics gehöriges hochaktuelles Problem mit hohem Anwendungspotenzial wird schließlich in C10 untersucht. Dabei geht es um die Möglichkeit einer Ummagnetisierung von Nanostrukturen durch Anlegen/Injizieren von spinpolarisiertem Strom anstelle von äußeren Magnetfeldern. Dies eröffnet die Perspektive, den Zustand eines „Spin-Ventils“ durch Strombeschickung einzustellen oder auszulesen.

Der messtechnische Aspekt in C9 und die Mitwirkung im Netzwerk ohne Mittelbedarf durch C10 führen unmittelbar zu einer abschließenden allgemeinen Bemerkung. Sämtliche Projekte auch des C-Bereichs stützen sich auf das Zusammenbringen komplementärer präparativer und messtechnischer Kompetenz. Dabei war die wechselseitige Kenntnis der jeweiligen Möglichkeiten an den verschiedenen Standorten auf Grund der bisherigen Zusammenarbeit im Netzwerk außergewöhnlich hilfreich. Bei den Kooperationen liegt der Schwerpunkt im C-Bereich auf dem Zusammenwirken von Chemie, Physik und den materialwissenschaftlich orientierten Ingenieurswissenschaften. Durch Weiterentwicklung oder Neuanschaffung von Geräten, auch im Zusammenhang mit Neuberufungen, stehen im Vergleich zur letzten Förderperiode weitere attraktive Präparations- und Messtechniken zur Verfügung. Für den C-Bereich sind hier zu nennen: Die inzwischen etablierte „Focused Ion Beam“-Technik in Konstanz zur Präparation von Mikroresonatoren, das Cs-korrigierte höchstauflösende 300 keV-Elektronenmikroskop (Titan, Fm. FEI) in Ulm, die Spin-abhängige Tunnelspektroskopie im mK-Bereich in Karlsruhe, die Weiterentwicklung des Raster-Röntgenmikroskops am BESSY II durch das MPI für Metallforschung in Stuttgart, die Laser-basierte Messtechnik zur Spindynamik in Bochum/Stuttgart sowie das lateral hochaufgelöste magnetische Schreiben/Lesen magnetischer Information in Chemnitz/Konstanz. Die beiden letzten Techniken belegen die Attraktivität des Netzwerkes auch für frühere, inzwischen aus Baden-Württemberg wegberufene Mitglieder, die sich nach wie vor in die Zusammenarbeit einbringen. Die genannten Techniken, für die zwar zumeist ausschließlich im C-Bereich Mittel beantragt werden, stehen aber dem gesamten Netzwerk zur Verfügung.