Aufgerollte Metamaterialien

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Tobias Kipp, seit 8/2013
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 232331921

In diesem Vorhaben wollen wir maßgeschneiderte dreidimensionale optische Metamaterialen mit integrierten Quantenemittern durch verspannungsinduziertes Aufrollen von Metall-Halbleiter-Schichten herstellen und untersuchen. Die Herstellung von dreidimensionalen Metamaterialien für optische Frequenzen ist aufgrund der dafür notwendigen dreidimensionalen Nanostrukturierung eine der aktuellen Herausforderungen im Forschungsbereich Metamaterialien.Zur Herstellung unserer Metamaterialien wachsen wir im ersten Schritt mit Molekularstrahlepitaxie verspannte InAlGaAs Heterostrukturen. Auf diese verspannten Halbleiterschichten präparieren wir planare oder nanostrukturierte Metallschichten. Das resultierende Metall-Halbleiter-Schichtsystem lässt sich durch hochselektives Entfernen einer AlAs-Opferschicht vom Substrat ablösen und rollt sich unter Minimierung von Verspannung mit mehreren Umdrehungen zu einem Mikroröllchen auf. Die Wände des entstehenden Mikroröllchens sind Metamaterialien auf Grundlage von Metall-Halbleiter-Übergittern, deren metallische Komponente sich vor dem Aufrollen gezielt nanostrukturieren lässt und deren Halbleiterkomponente mit optisch aktiven Quantenstrukturen funktionalisiert werden kann.Wir haben vorgeschlagen und demonstriert, dass sich mit diesem Konzept anisotrope Metamaterialien mit einstellbaren optischen Parametern und dem Potenzial zur vergrößerten Abbildung von Subwellenlängendetails bei sichtbaren Frequenzen realisieren lassen. Durch Einbettung von Quantenfilmen in die Halbleiterkomponente konnten wir darüber hinaus die aufgerollten Metamaterialien optisch aktivieren und eine durch das optische Pumpen der Quantenfilme einstellbare Transmission durch die Metamaterialien nachweisen.Hier wollen wir diese Pionierarbeiten weiterführen und die einzigartige Möglichkeit zum Stapeln von einkristallinen mit Molekularstrahlepitaxie hergestellten Halbleiterstrukturen und metallischen Nanostrukturen nutzen, um gezielt die Kopplung zwischen den Exzitonen der eingebetteten Quantenemitter und den Plasmonen der metallischen Nanostrukturen einzustellen und zu studieren. Außerdem wollen wir die in der jüngeren Literatur als breitbandiger Purcell-Effekt diskutierte erhöhte spontane Emission von Quantenemittern in stark anisotropen Medien im Detail untersuchen. Darüber hinaus wollen wir experimentell die Abbildung von Subwellenlängendetails mit anisotropen aufgerollten Metamaterialien nachweisen.Für dieses Vorhaben wollen wir die hervorragende Infrastruktur am Zentrum für Mikrostrukturforschung und am Institut für Angewandte Physik in Hamburg mit der in unserer Gruppe aufgebauten Expertise zur Herstellung der aufgerollten Metamaterialien und zur Untersuchung mit speziellen optischen Nah- und Fernfeldaufbauten kombinieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Stefan Mendach, bis 7/2013