Nano-Optik: Erleuchtung für die Nanowelt

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1 Inhalt Nano-Optik: Erleuchtung für die Nanowelt Bert Hecht Nano-Optics group Institute of Physics University of Basel CH-4056 Basel, Switzerland Einführung in Optik Motivation Optik & Nano, Fragestellungen Beugung, Beugungslimit, Auflösung Licht & Materie: Nahfelder, Dipol, Partikel, Apertur Anwendungen von Nano Optik Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 2 Elektromagnetische Wellen Elektromagnetisches Spektrum λ Ausbreitung mit c = m/s Frequenz: υ = c/λ, Energie: E = hυ ω=2πυ, k=2π/λ Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 3 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 4

2 Elektromagnetisches Spektrum Sichtbares Licht: Sichtbares Licht Was zeichnet sichtbares Licht aus? Es ist sichtbar (Farbwahrnehmung) d.h.: Energie ist im richtigen Bereich um elektronische Übergänge in grösseren Molekülen zu induzieren (Sehprozess, Photosynthese) Einzelne Photonen sind messbar! Hohe Empfindlichkeit! Spektroskopie (Farben, chemische Zusammensetzung,...) billige Laserquellen Hohe Leistung Extreme spektrale Reinheit Kohärenz Kurze Pulse (Telekommunikation, nichtlineare Prozesse) Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 5 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 6 Sichtbares Licht Inhalt Breite Anwendung optischer Phänomene in Technik und Wissenschaft Einführung in Optik Motivation Optik & Nano, Fragestellungen Beugung, Beugungslimit, Auflösung Licht & Materie: Nahfelder, Dipol, Partikel, Apertur Anwendungen von Nano Optik Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 7 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 8

3 Anwendungen von Optik A. Mikroskopie & Spektroskopie Anwendungen von Optik A. Mikroskopie Organization von Proteinen Photosynthese System Xu et al. PNAS nm 20nm Hochauflösende optische Mikroskopie? Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 9 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 10 Anwendungen von Optik B. Datenspeicherung CD λ = 780 nm NA = 0.45 DVD λ = 650 nm NA = 0.6 UDO λ =405nm NA = 0.7/ nm 800 nm 200 nm Limit? Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 11 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 12

4 Anwendungen von Optik C. Telekommunikation Anwendungen von Optik D. Materialbearbeitung & Lithographie Optische Geräte basierend auf Lasern und Wellenleitern bilden die Grundlage moderner Kommunikation Miniaturisierung möglich? fulltime/tech0750/career.html Optisch Nanostrukturen erzeugen? Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 13 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 14 Anwendungen von Optik Anwendungen von Optik E. Medizin & Biologie F. Metrologie matrix.ucdavis.edu/informatics/history/medical-history.html Newtonsche Ringe Hochpräzise Messungen im Nanometerbereich? Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 15 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 16

5 Zusammenfassung Inhalt Optik hat breite Anwendung in verschiedensten Bereichen Klarer Trend zur Miniaturisierung in den Nanometerbereich erkennbar Frage: Was limitiert die Anwendung optischer Technologien im Nanometerbereich? Einführung in Optik Motivation Optik & Nano, Fragestellungen Beugung, Beugungslimit, Auflösung Licht & Materie: Nahfelder, Dipol, Partikel, Apertur Anwendungen von Nano Optik Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 17 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 18 Beugung Beugungslimit = Huygensches Prinzip + Interferenz Frage: Wie erzeugt man einen kleinen Lichtspot? z.b. durch Abbilden eines beleuchten Spalts/Loch! Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel /QuantumPhysics.html 19 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 20

6 Beugungslimit Auflösung Abbildung eines unendlich kleinen Punktes: Rayleigh-limit: 0.61 λ/n sinα Öffnungswinkel n~1.5 für Glas α ~ 68 o für die besten Linsen λ ~ 550 nm x ~ 480 nm Zweiter Peak im ersten Minimum des ersten Peaks Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 21 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 22 Nano Optik Inhalt Nano Optik beschäftigt sich mit der Umgehung des Beugungslimits. Ziel: Lichtausbreitung auf der Skala von wenigen Nanometern verstehen und manipulieren! Einführung in Optik Motivation Optik & Nano, Fragestellungen Beugung, Beugungslimit, Auflösung Licht & Materie: Nahfelder, Dipol, Partikel, Apertur Anwendungen von Nano Optik Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 23 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 24

7 Prinzip von Nano Optik a << λ Dipole Elektromagnetische Felder wechselwirken mit den (freien) Elektronen in Materie. Einfachstes Model: Schwingender Dipol ~a Fernfelder lösen sich ab, Nahfelder bleiben kleben In der Nahe von Materie kann Licht räumlich stark konzentriert werden! Nahfelder Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 25 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 26 Nahfeld - Fernfeld Nahfeld - Fernfeld Dipolfeld: Nahfeld Vergleich: Fernfeld Übergangsbereich k=2π/λ r=5nm ~ Oberfläche ~ r 2 Nahfelder sind an ein materielles Objekt gebunden Stark überhöhte Felder im Nahbereich!! Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 27 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 28

8 Zusammenfassung Inhalt Nahfelder sind (oft) räumlich stark konzentriert Intensität in Nahfeldern ist (oft) stark überhöht Einführung in Optik Motivation Optik & Nano, Fragestellungen Beugung, Beugungslimit, Auflösung Licht & Materie: Nahfelder, Dipol, Partikel, Apertur Anwendungen von Nano Optik Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 29 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 30 Optische Nahfeldmikroskopie Optische Sonden Scanning Near-field Optical Microscopy SNOM Optische Sonde Apertur an einer verspiegelten Spitze Partikel an einer Spitze d<< λ Glas Aluminium Aktives Partikel Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 31 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 32

9 Feldverteilung Apertursonde Aluminium Probleme Analogie: Radiohören im Tunnel Logarithmische Skala: Faktor 4 zwischen benachbarten Linien Einfallende Wellenleitermode in x- Richtung polarisiert Exponentieller Abfall Glas L. Novotny, Diss. ETH #11420 Geringe Transmission: optimale Geometrie: grosser Öffnungswinkel Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 33 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 34 Apertursonden: Realisierung Kommerzielle Apertursonden Hohle Aluminiumspitzen Geätzte Glasfaser Beschichtung mit Aluminium Apertursonde nach focussed-ion beam Bearbeitung Courtesy IMT & CSEM 200nm 200 nm Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 35 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 36

10 Experimenteller Aufbau I Experimenteller Aufbau II principle/snom.html Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 37 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 38 Experimenteller Aufbau III Resultate: Fluoreszenz & Topographie Muster von Immunoglobulinen (Antikörpern) auf Glas mit Farbstoff TRITC markiert. Herstellung mittels micro contact printing 50 nm Auflösung + Topograpie Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 39 Hecht et al., J. Chem. Phys. 112(18) (2000) Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 40

11 Resultate: Einzelne Moleküle Partikelsonden Gold Luft Near-field fluorescence image of individual dendritic molecules. Scan range 1.65 x 1.65 µm 2 DiIC 18 molecules embedded in a 10 nm thin film of PMMA N.F. van Hulst, MESA, Twente nm Auflösung + Topograpie Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 41 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 42 Partikelsonden: Realisierung Experimenteller Aufbau Geätzte Goldspitzen: 10nm Krümmungsradius 100 nm Pictures courtesy Mike Beversluis, Nano Optics, Rochester, USA Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 43 Near-Field Fluorescence Microscopy Based on Two-Photon Excitation with Metal Tips Erik J. Sánchez, Lukas Novotny, and X. Sunney Xie, Physical Review Letters, 82, 4014 (1999) Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 44

12 Anwendungen Anwendungen Partikel SNOM with 2-photon excited fluorescence: Photosynthese Membranfragmente der Alge chlamydomonas reinhardti (C2 Mutante) auf Glas. Optisches Bild Topographie Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 45 Optisches Bild Topographie Near-Field Fluorescence Microscopy Based on Two-Photon Excitation with Metal Tips Erik J. Sánchez, Lukas Novotny, and X. Sunney Xie, Physical Review Letters, 82, 4014 (1999) Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 46 Optische Datenspeicherung Integrierte Nano-Optik Magneto-Optik SNOM A. Charakterisierung von optischen Elementen Ausbreitung eines Lichtpulses in einem Wellenleiter beugungsbegrenzt Appl. Phys. Lett., 61, pp 142 (1992) M.L.M. Balistreri, H. Gersen, J.P. Korterik, L. Kuipers, N.F. van Hulst, Science. 294, (2001) Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 47 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 48

13 Integrierte Nano-Optik Nano-optische Lithographie B. Neue nano-optische Elemente Licht um die Ecke bringen: Fehlstellen in photonischen Kristallen als Lichtleiter Muster in Photoresist Wellenlängenempfindlicher Strahlteiler Kurze Wellenlänge Längere Wellenlänge Diss. ETH, No Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 49 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 50 Nano-Optik in der Biologie Dynamik von Biomolekülen in Echtzeit Einzelmoleküle Energietransfer als molekulares Lineal Sehr kurze Reichweite: 1-10nm donor acceptor R 0 ~1-10nm Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 51 Streptavidin surface Streptavidin Zhuang, X. et al. Science 288 (2000) Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 52

14 Dynamik von Biomolekülen in Echtzeit Zusammenfassung In Echtzeit Gedockt ungedockt Fluoreszenz Transfereffizienz 2nm Einführung in Optik Motivation Optik & Nano, Fragestellungen Beugung, Beugungslimit, Auflösung Licht & Materie: Nahfelder, Dipol, Partikel, Apertur Anwendungen von Nano Optik E S. Weiss, Nature Structural Biology 7, 724 (2000) 7nm Zhuang, X. et al. Science 288 (2000) Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 53 Bert Hecht, Nano-Optics group, University of Basel 54