Wenn Licht in einen ultrakleinen Spalt zwischen zwei Metallplatten (< 5 nm) eingeschlossen oder „gequetscht“ wird, treten aufgrund der nichtlokalen Reaktion des Elektronengases in Metallen quantenhafte und nichtklassische Effekte auf. Dies kann zu einer Verschiebung der Plasmonenresonanzen und zusätzlichen Dämpfungsmechanismen führen, die eine grundlegende Einschränkung des Lichteinschlusses darstellen. Insbesondere die Landau-Dämpfung, d. h. der Energieverlust aufgrund der Relativbewegung zwischen Elektronenwellen und einzelnen Elektronen, wird aufgrund des hohen Modenindex in der Lücke als außerordentlich verstärkt vorausgesagt. Diese Dämpfung wird in der klassischen Elektrodynamik normalerweise vernachlässigt, ist aber in der Nanooptik von großer Bedeutung. Während die theoretische Behandlung dieser Phänomene recht gut etabliert ist, fehlen noch die experimentellen Nachweise und Überprüfungen.

Im Rahmen dieser Publikation konnten die Forschenden diese theoretisch vorhergesagten nichtlokalen Effekte bei der Ausbreitung von Oberflächenplasmonen in MetallDielektrikum-Metall (MIM)-Wellenleitern mit extrem kleinem Spalt die ein allgegenwärtiges Element plasmonischer Bauelemente sind zum ersten Mal experimentell versifizieren. Dazu müssen herkömmliche Materialverluste aufgrund von Oberflächenrauhigkeit maximal unterdrückt werden, indem atomar flache monokristalline Goldplättchen (Rauheit im Quadrat < 0,5 nm) und ultradünne Aluminiumoxidfilme zur Herstellung der MIM-WellenleiterHeterostrukturen verwendet wurden. Die komplexe Ausbreitungskonstante der Lückenplasmonen wurde mit einem hochmodernen optischen Nahfeldmikroskop charakterisiert. Durch den Vergleich mit den theoretischen Vorhersagen eines hydrodynamischen Modells für Plasmonen konnte die außerordentlich hohe Dämpfung aufgrund des nichtlokalen Effekts experimentell zum ersten Mal nachgewiesen werden.

Diese Arbeit demonstriert eine erfolgreiche institutsinterne Zusammenarbeit zwischen der Forschungsabteilung Nanooptik und dem Kompetenzzentrum für Mikround Nanotechnologie am Leibniz-IPHT sowie eine internationale Zusammenarbeit zwischen dem Leibniz-IPHT und der University of Southern Denmark (SDU). Darüber hinaus markiert diese Arbeit einen wichtigen Schritt in der Kombination der Leibniz-IPHT-Expertise in der Photonenforschung mit der Quanten-Nanooptik.