Nonlinear interactions in single-crystalline plasmonic nanocircuitry

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Brixner; Professor Dr. Bert Hecht
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 137540607

In der kommenden Förderperiode des Projekts planen wir, den Einfluss nichtlinearer optischer Effekte auf die Propagation ultrakurzer Plasmonenpulse zu untersuchen. Nichtlinearitäten sind essentiell für die Verwirklichung von plasmonischen Schaltkreisen, da sie es erlauben, Plasmonen durch Plasmonen zu manipulieren. Aufgrund der ausgeprägten Feldlokalisierung und –verstärkung können nichtlineare Effekte signifikant erhöht werden. Dennoch wurde die nichtlineare Propagation plasmonischer Pulse bislang kaum experimentell untersucht. Unser experimenteller Aufbau bietet eine einzigartige Möglichkeit, die Amplituden- und Phasenmodifikation zu studieren, die propagierende Plasmonen aufgrund nichtlinearen Wechselwirkungen erfahren. Wie wollen folgende Nichtlinearitäten studieren: die ponderomotive Nichtlinearität der plasmonischen Materialien selbst, die freie Ladungsträger-Nichlinearität von z.B. ITO-Substraten sowie Kerr-artige Nichtlinearitäten der Substrate oder geeignet positionierter Nanopartikel wie z.B. Chalcogenid-Gläser. Abhängig von der Art der Nichtlinearität werden wir plasmonische Elemente designen, die bestimmte ausgewählte Modenprofile unterstützen, um maximale Effekte zu erzielen. Wir werden außerdem wohldefinierte Anregungsgeometrien für spezifische Moden verwenden. Für die Verwirklichung von fortgeschrittenen Nanostrukturen, über die gewöhnlich benutzten einzelnen geraden Drähte hinaus, werden wir auf die Technik der Focused-Ion-Beam (FIB)-Strukturierung von einkristallinem Gold aufbauen, die während der ersten Projektphase entwickelt wurde. Wir werden außerdem den Einsatz von He-Ion-Strukturierung prüfen, um Strukturen mit extrem feinen Details zu erzeugen. Das abschließende Ziel des Projekts ist die Realisierung funktionaler plasmonischer Elemente, wie beispielsweise Schalter, die die Vorteile der reichhaltigen nichtlinearen Wechselwirkungen ausnutzen, im Gegensatz zur grundlegenden linearen interferometrischen Kontrolle. Experimentelle Studien werden an zwei Modellschaltkreisen durchgeführt: (i) eine Zwei-Draht-Übertragungsstrecke, welche einen lokalen Flaschenhals aufweist, in welchem starke Modenlokalisierung auftritt, und (ii) gerade lineare Zwei-Draht-Übertragungsstrecke mit einem resonanten „stub“, der hohe lokale Intensität erfährt und die Transmission unter dem Einfluss einer Kerr-artigen Nichtlinearität unterdrückt. Nichtlineare Effekte werden wir charakterisieren durch (a) das Auftreten neuer Moden, die durch unterschiedliche räumliche Winkelverteilungen ihrer Emission detektiert werden, (b) die Messung der Änderungen von Transmission und Gruppengeschwindigkeiten und (c) die Analyse der Zeitstruktur des emittierten Signals als Funktion der Puls-Peakintensität.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1391: Ultrafast Nanooptics