Fluktuations-dominierte Materialien für neuartige photonische Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Lienau, Ph.D.; Professor Dr. Erich Runge; Professor Dr. Peter Schaaf
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278748183

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung nanostrukturierter Materialien für innovative optische Anwendungen, in denen gezielt eingestellte Unordnung riesige Fluktuationen des lokalen elektromagnetischen Feldes bewirkt. In diesen Strukturen wird die nichtlineare Antwort von Hot Spots mit den größten Feldern dominieren und die gesamte Nichtlinearität der Unordnungsstrukturen erhöhen. Dieser Ansatz soll zu einer neuen Klasse von fluktuations-dominierten Werkstoffen für die Photonik, mit Anpassungen aber auch für weitere wellenbasierte Technologien führen.Für zwei Modellsysteme, nanoporöse Gold Nanopartikel (Nanoschwämme) und nanostrukturierte Si Nanonadeln (Nano-Gras), konnten Feldverstärkungsfaktoren und elektromagnetische Moden-Lokalisierungen realisiert werden die an die bisher höchsten Werte heranreichen, die in mit modernsten Nanotechnologieverfahren hergestellten Nanoantennen erreicht wurden.Experimentell wurden einzelne, im Projekt hergestellte Gold-Nanoschwämme durch optische Nahfeldspektroskopie und ultraschnelle Photoemissionsmikroskopie untersucht. Es wurden langlebige plasmonische ‚Hot Spots‘ mit räumlichen Auflösungen von weniger als 10 nm nachgewiesen. Die Beobachtungen stimmen hervorragend mit im Projekt entwickelten Theoriemodellen überein. Die erfolgreiche enge Zusammenarbeit von Materialwissenschaft und Nanofabrikation mit fortschrittlichen optischen Charakterisierungsmethoden auf der einen Seite und detaillierter theoretischer Modellierung der Nahfeld-Eigenschaften in der Festkörperphysik wird fortgeführt und soll folgende Ziele verfolgen: (i) Nanofabrikation von Werkstoffen mit maßgeschneiderter Unordnung zur weiteren Steigerung der Feldüberhöhung und zum tieferen Verständnis der Hot Spot Bildung. (ii) Neue Experimente zur orts- und zeitaufgelösten Untersuchung der lokal verstärkten nichtlinearen Antwort und deren weitere Verstärkung. (iii) Design, Herstellung und Untersuchung von Hybrid-Werkstoffen, in denen kleine, meist atomare oder molekulare Emitter mit geeigneten quantenoptischen Eigenschaften zum Bespiel in Nanoschwämme eingebaut werden. Die Kopplung der Quantenemitter an Hot Spots erlaubt dann optische Funktionalität, die deutlich über die der einzelnen Bestandteile hinausgeht. (iv) Durch Untersuchung der Wechselwirkung der beschriebenen Fluktuations-dominierten Werkstoffe mit starker Terahertz Strahlung, soll es gelingen, die Eigenschaften der langlebigen und ultra-lokalisierten Hot Spots zu modulieren. Hier soll wissenschaftliches Neuland betreten werden.Zusammenfassend konnten wir das Konzept der „Fluktuationsdominierten Werkstoffe“ für sehr unterschiedliche Systeme, nämlich metallische Nanoschwämme und dielektrisches Nano-Gras, erfolgreich demonstrieren. Dies zeigt, dass die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen in einer Vielzahl von Systemen mit maßgeschneiderter Unordnung auftreten können. Daher ist das SPP 1839 die ideale Umgebung für die geplante Forschungskooperation.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1839: Tailored Disorder - A science- and engineering-based approach to materials design for advanced photonic applications
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr.-Ing. Dong Wang