Untersuchung und Anwendung des plasmonischen Verstärkungseffekts von inversen plasmonischen Nanostrukturen auf die chirale Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

• Antragsteller: Dr. Jer-Shing Huang; Privatdozent Dr. Thomas Mayerhöfer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Analytische Chemie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445415315

Im Rahmen des Vorhabens „Untersuchung und Anwendung des plasmonischen Verstärkungseffekts von inversen plasmonischen Nanostrukturen auf die chirale Wechselwirkung zwischen Licht und Materie“ wollen wir plasmonische Strukturen nutzen, um die Wechselwirkungen zwischen Licht, plasmonischen Strukturen und chiralen Materialien im mittleren Infrarotbereich zu verstehen und dieses Verständnis zu nutzen um die Chiralität winziger Probenmengen mit kostengünstigen Instrumenten zu bestimmen und eine spektrale Untersuchung zu ermöglichen.Das Vorhaben zielt dementsprechend darauf ab, zwei verschiedene Fragestellungen anhand zweier Szenarien zu beantworten, die eng miteinander verbunden sind. Im ersten Szenario werden chirale Nanostrukturen verwendet, um die Wechselwirkungen von zirkular polarisiertem Licht und chiralen Molekülen zu verstärken. Wir haben bereits experimentell nachgewiesen, dass mittels geeigneten plasmonischen Substraten eine Unterscheidung von Enantiomeren möglich ist, bisher kann das die Funktionsweise dieser Substrate theoretisch jedoch nicht erklärt werden. In diesem Teil des Vorhabens werden wir die Abhängigkeit der Wechselwirkungen zwischen den plasmonischen Strukturen und des Analyten systematisch und umfassend untersuchen. Die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen werden helfen entsprechende Theorien aufzustellen und den entsprechenden Herausforderungen im zweiten Szenario zu begegnen.Im zweiten Szenario werden linear polarisiertes Licht und achirale Substrate, basierend auf elliptischen Nanoporen in einer Goldschicht, verwendet, um den Zirkulardichroismus von chiralen Molekülen zu verstärken. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass ein chirales optisches Feld nur lokal durch die Nanostruktur erzeugt wird. Daraus ergeben sich drei Vorteile. Erstens reduziert eine linear polarisierte Anregung die Kosten des Versuchsaufbaus erheblich, da keine teuren VCD-Spektrometer mit photoelastischen Modulatoren benötigt werden. Zweitens ermöglicht eine linear polarisierte Beleuchtung die Kombination von VCD mit optischen Mikroskopen, wodurch eine ortsaufgelöste Mikro-VCD-Analyse ermöglicht wird. Schließlich ermöglicht die Verwendung linear polarisierten Lichts und achiraler Substrate eine hintergrundfreie Erfassung der VCD-Signale der Moleküle, da weder Moleküle außerhalb der Hotspots, noch die plasmonische Struktur selbst zum Signal beitragen. Dies ermöglicht den Schwingungszirkulardichroismus von chiralen Molekülen auf Basis des Transmissionssignals von mit Analyten gefüllten elliptischen Nanoporen in einer Goldschicht zu untersuchen. Die geplanten Experimente werden es ermöglichen, festzustellen, ob dies tatsächlich das beste Szenario für die plasmonverstärkte Zirkulardichroismus-Spektroskopie ist. Im Erfolgsfall wird die Studie eine einfache und effektive Plattform für die ultrasensitive chirale Analyse ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen