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Ein Team von LMU-Forschenden identifiziert neue Mechanismen der plasmonischen Dämpfung.
Metallnanostrukturen können Licht so stark konzentrieren, dass sie chemische Reaktionen auslösen können. Die zentralen Akteure in diesem Prozess sind Plasmonen – kollektive Schwingungen freier Elektronen im Metall, die Energie auf extrem kleine Volumina bündeln. Eine neue Studie, die im Fachmagazin Science Advances veröffentlicht wurde, zeigt nun, wie entscheidend adsorbierte Moleküle dafür sind, wie schnell diese Plasmonen ihre Energie verlieren.
Das Team um die LMU-Nanophysiker Dr. Andrei Stefancu und Professor Emiliano Cortés identifizierte zwei grundlegend unterschiedliche Mechanismen der sogenannten „chemical interface damping“ (CID), also der plasmonischen Dämpfung, die durch adsorbierte Moleküle verursacht wird. Welcher Mechanismus dominiert, hängt davon ab, wie die elektronischen Zustände des Moleküls mit denen der Metalloberfläche – in diesem Fall Gold – ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung spiegelt sich sogar im elektrischen Widerstand des Materials wider.
Zwei Mechanismen identifiziert
Beim ersten Mechanismus absorbiert das Molekül die Energie direkt und resonant: Wenn die Plasmonenergie einem unbesetzten elektronischen Zustand des Moleküls entspricht, kann ein Elektron unmittelbar in diesen Zustand übergehen. Dieser Prozess ist extrem schnell und stark von der Farbe (Energie) des einfallenden Lichts abhängig.
Der zweite Mechanismus funktioniert ohne eine solche resonante Anregung. Stattdessen durchlaufen Elektronen eine diffuse, inelastische Streuung an der Grenzfläche zwischen der Goldoberfläche und dem Molekül. Diese Streuung führt dazu, dass die Plasmonen Energie verlieren – und erhöht gleichzeitig den elektrischen Gleichstromwiderstand des Goldes. Die Studie zeigt, dass dieser Streuprozess und die plasmonische Dämpfung eng miteinander verknüpft sind.
Die Ergebnisse verbinden zwei Phänomene, die bisher getrennt untersucht wurden: elektrische Oberflächeneffekte und plasmonische Energieübertragung. Sie zeigen, dass der Energiefluss zwischen Licht, Metall und Molekülen gezielt gesteuert werden kann, allein durch die Wahl der Moleküle, die auf der Oberfläche adsorbiert sind. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für lichtgetriebene Katalyse, Sensortechnologien und energieeffiziente chemische Prozesse.
Die Studie wurde durch eine internationale Zusammenarbeit mit Forschenden des Imperial College London, der Universidad de La Laguna in Teneriffa und der Rice University ermöglicht, die gemeinsam mit dem LMU-Team arbeiteten. Wie Emiliano Cortés hervorhebt: „Diese Erkenntnisse zeigen, dass sich der Energiefluss im Nanobereich durch molekulares Design gezielt einstellen lässt und neue Möglichkeiten für Technologietransfer und praktische Anwendbarkeit eröffnet. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu nachhaltigen Prozessen, die Sonnenlicht zur Durchführung chemischer Reaktionen nutzen, einschließlich der Herstellung von Kraftstoffen und wertvollen chemischen Produkten.“
Prof. Dr. Emiliano Cortés
Nanoinstitut München
Fakultät für Physik
Ludwig-Maximilians-Universität München
Tel.: +49 89 2180-83902
E-Mail: Emiliano.Cortes@physik.uni-muenchen.de
Andrei Stefancu, Wenxuan Tang, Ming Fu, Jordan Edwards, Naomi J. Halas, Ross C. Schofield, Toby Severs Millard, Peter Nordlander, Johannes Lischner, Pilar Carro, Rupert Oulton & Emiliano Cortés. Optical and electrical probing of plasmonic metal-molecule interactions. Science Advances, 2025.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea0585
Criteria of this press release:
Journalists
Energy, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research projects, Scientific Publications
German
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