Das Licht bringt Schwung in die Elektronen

Die nötige Energie, um Elektronen aus der Metalloberfläche zu entfernen, kann gesenkt werden, wenn zuvor die Elektronen in der Oberfläche zu Schwingungen angeregt werden, zu sogenannten Oberflächenplasmonen. Die Elektronen haben dann ein höheres Energieniveau und können so leichter aus der Oberfläche gelöst werden. Um sie zu den Schwingungen anzuregen, werden die Eigenschaften von Photonen als elektromagnetische Wellen ausgenutzt.

Auf einfachen Oberflächen können diese Schwingungen aber nicht von Licht angeregt werden. Wenn die angeregten Plasmone die gleiche Frequenz haben wie das Licht, mit denen sie angeregt werden sollen, sind sie viel kleiner als die Wellenlänge von Licht mit der gleichen Frequenz. Das Licht würde einen zu großen Teil der Oberfläche gleichzeitig beeinflussen. Es kann aber gelingen, wenn die Oberfläche so strukturiert ist, dass die Photonen nur mit einer kleinen Fläche interagieren.

In dem Gerät wird Licht mit einer Wellenlänge von 785 Nanometer verwendet und die Plasmone in etwa 300 Nanometer großen, runden Strukturen aus Gold angeregt. In dem Gerät sehen diese Strukturen aus wie Pilze in einem quadratischen Gitter, im Hut der Pilze werden die Plasmone angeregt. Die Plasmone verringern auch den nötigen Aufwand, um Elektronen durch ein elektrisches Feld aus dem Metall zu lösen. Das ist die sogenannte Feldemission.

Ein paar Volt reichen aus

Die Feldemission leistet in dem Gerät die eigentliche Arbeit. Dafür wird zwischen dem Pilz und einem elektrischen Leiter, unterhalb von dem Hut des Pilzes, eine Spannung angelegt. Dafür reichen wenige Volt aus. Die Feldstärke an einem bestimmten Ort hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die wichtigsten Faktoren sind der Spannungsunterschied zwischen zwei Orten, ihr Abstand und die Form der Oberfläche. Der Abstand zwischen dem unteren Leiter und dem Hut beträgt etwa 225 Nanometer. Eine Spannung von einem Volt reicht dabei schon für eine Feldstärke von über 4 Millionen Volt pro Meter.

An den Hutkanten wird die lokale Feldstärke durch das Zusammenlaufen der Feldlinien nochmals verstärkt. Die Plasmonen führen erneut zu einer zusätzlichen Verstärkung um etwa das 25-fache. Zusammen reicht das aus, um freie Elektronen mit Spannungen unter 10 Volt und einer einfachen Laserdiode zu erzeugen. Anstatt bis zu eine Billion Watt reichen dazu 5 bis 40 Watt pro Quadratzentimeter aus. Wegen der kleinen Fläche benötigt das Gerät damit weniger als ein Milliwatt Laserleistung.

Die Leitfähigkeit des Geräts kann sowohl durch die angelegte Spannung als auch die Leistung des Lasers beeinflusst werden. Außerdem muss es nicht im Vakuum betrieben werden. Allerdings hat es bei normalem Luftdruck eine etwas schlechtere Leistung. Bis das Gerät tatsächlich einsatzfähig ist, muss noch viel Entwicklungsarbeit geleistet werden. Der Prototyp sollte vor allem nachweisen, dass es möglich ist, Elektronen mit niedrigen Spannungen und geringer Laserleistung aus der Oberfläche zu lösen.