In der Quantenwelt gibt es wie der Name es ja auch schon verrät zahlreiche Quantisierungen. Da wäre einmal das quantisierte Lichtteilchen, das Photon. Oder das Schwingungsquant, das Phonon. Dann gibt es zum Beispiel quantisierte Elektronen-Loch-Anregungen, das Exziton. In diesem Beitrag soll es um quantisierte Schwankungen der Ladungsträgerdichte in Metallen, den Plasmonen, gehen.

Man kann die Plasmonen auch als kollektive Anregungen von freien Elektronen in Metallen zu Plasmaschwingungen gegen die Ionenrümpfe bezeichnen. Unter Oberflächenplasmonen sind speziell Oberflächenwellen gemeint, bei denen longitudinale elektronische Schwingungen parallel zur Oberfläche eines Metalls angeregt werden. Genau diese Oberflächenplasmonen gilt es in diesem Experiment mittels Laser anzuregen und dadurch die Reflexion des Laserstrahls zu schwächen.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Oberfl%C3%A4chenplasmon

Die Anregung zu diesem Versuch fand ich bei meinem italienischen Kollegen Lodovico, welcher eine ausgezeichnete Physikseite führt: https://physicsopenlab.org/2019/07/21/surface-plasmon-resonance/

Von ihm bekam ich dankenswerterweise auch den goldbedampften Glasträger, welcher das Herzstück dieses Experiments ist. Die Goldschicht ist nur 50 nm dick, was in etwa 150 Goldatomen entspricht. Dieser bedampfte Glasträger wird mittels Silikonfett (findet man zum Beispiel auf Amazon) an ein rechtwinkliges Glasprisma gekoppelt.

Der Glasträger mit der hauchdünnen Goldschicht kommt an die Hypothenuse des Glasprismas mit der beschichteten Seite außen:

Hier meine Bezugsquellen für das Prisma und das Silikonfett:

Der gesamte Versuchsaufbau sieht folgendermaßen aus: Man leuchtet mit einem HeNe-Laser durch einen Polrisationsfilter (p-Orientierung) auf eine Kathete des Glasprismas. Bei einem bestimmten Einfallswinkel des Laserstrahls auf die Goldschicht, werden Oberflächenplasmonen angereht und die Intensität des total reflektierten Laserstrahls sinkt stark ab.

Ist der Einfallswinkel zu steil oder zu flach, werden keine Oberflächenplasmonen angeregt und der total reflektierte Laserstrahl erfährt keine Abschwächung (links im Bild). Rechts passt der Einfallswinkel, um die Plasmonen anzuregen und die Intensität des reflektierten Laserstrahls fällt ab.

Bildquelle: https://physicsopenlab.org/2019/07/21/surface-plasmon-resonance/

Um den Einfallswinkel bestimmen zu können, bedient man sich des Brechungsgesetzes:

Als Laser kommt wie schon erwähnt mein Helium-Neon-Laser zum Einsatz mit einer Wellenlänge von 632.8 nm.

Zur Bestimmung der Lichtintensität des total reflektierten Laserstrahls werde ich meinen Photodioden-Lichtdetektor verwenden:

Mittlerweile ist das Glasprisma aus China eingetroffen, sodass ich eigentlich bald einen ersten Versuch starten kann…

In der Zwischenzeit habe ich den Plasmonen-Versuch durchführen können. Vom Experiment zur Bragg-Reflexion hatte ich noch einen Winkelmesser übrig. Dieser eignet sich wunderbar für diesen Versuch. Mit einem Laser (ich probierte es mit einem roten Laserpointer und einem HeNe-Laser) zielt man auf ein Glasprisma, an dessen Hypothenuse der goldbeschichtete Glasträger mittels Silikon angebracht ist. Jetzt sollte die Intensität des total reflektierten Laserstrahls bei einem bestimmten Winkel aufgrund der Plasmonenanregung deutlich abnehmen.

Leider konnte ich diese Abnahme (bis jetzt) experimentell nicht erfassen. Ich drehte zuerst das Prisma sehr langsam und verfolgte die Helligkeit des Laserpunkts auf dem Schirm. Dabei fiel mir eben kein Helligkeitseinbruch auf. Die Winkelauflösung betrug hier um die 0.5°. Normalerweise (siehe https://physicsopenlab.org/2019/07/21/surface-plasmon-resonance/) sollte das Minimum eine Breite von 5° haben, also müsste ich es ohne Probleme auflösen können. Dann drehte ich das Prisma schnell hin und her, um eine dunkle Stelle in der so auf dem Schirm erzeugten Laserlinie zu entdecken. Auch hier war leider nichts zu erkennen.

Der Intensitätseinbruch müsste laut physicsopenlab rund 75% betragen, also doch auch visuell deutlich erkennbar oder?

Quelle: physicsopenlab

Zur Kopplung des goldbeschichteten Glasträgers mit dem Prisma habe ich Silikonfett, Silikonöl und dann Silikon zur Kopplung von Szintillatoren an Photomultiplier ausprobiert. Mit keinem dieser drei konnte ich aber die Helligkeitsabnahme beobachten.

Auch die Polarisation des Lasers müsste eigentlich richtig sein (p-Polarisation)…

Ehrlich gesagt weiß ich im Moment nicht wirklich, was ich nun noch ausprobieren soll bzw. wo der “Fehler” liegt. Wenn es Fortschritte gegeben hat, geht es hier natürlich weiter…