Kolloidale Energie-Transfer Systeme für spaser-basierte Nanolaser

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Karg
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244259874

Das beantragte Projekt befasst sich mit der Entwicklung kolloidaler Energie-Transfer Systeme, welche fähig sind kohärente Photonen in einem wohldefinierten Wellenlängebereich zu generieren und liegt damit in einem zur Zeit rasant wachsenden Forschungsfeld. Dieses Forschungsvorhaben liefert einen grundlegenden Beitrag zur Präparation, Charakterisierung und dem theoretischen Verständnis nanoskaliger, optischer Komponenten, die kohärente Photonen für potentielle Anwendungen in der Sensorik, Mikroskopie fernab der Beugungsgrenze, Metamaterialien und optischer Computer erzeugen. Dazu werden wir den spaser Effekt (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation) nutzen und plasmonische Nanostrukturen zur Unterstützung und Konzentration starker Felder im optischen Frequenzbereich verwenden. In Analogie zu klassischen Lasern, benötigen auch spaser eine Anregungsquelle, einen Resonator und ein Verstärkungsmedium. Eine große Herausforderung in der Realisierung spaser-basierter Nanolaser besteht in der Effizienz der Verstärkung, da die Verstärkung durch das aktive Medium optische Verluste kompensieren muss damit der kritische Schwellenwert für den Laser erreicht wird. Wir planen die Verstärkungseffizienz durch die Verwendung plasmonischer Strukturen mit geringem optischen Verlust sowie durch leuchtstarke, photostabile Fluorophore zu erhöhen um so ausreichend hohe Verstärkung zu erzielen. Besonders wichtig wird hierbei die systematische Analyse des Energie-Transfer Verhaltens sein um die ideale Fluorophor-Beladungsdichte und den besten Fluorophor-Abstand als auch Fluorophor-Typen zu identifizieren. Das außergewöhnlich starke Forschungsinteresse in Hinblick auf Synthese und Funktionalisierung plasmonischer Na-nomaterialien in den letzten Jahren ermöglicht es jetzt solche Energie-Transfer Kolloide, welche spaser Verhalten zeigen, experimentell zu realisieren. Weiterhin stehen jetzt anspruchsvolle spektroskopische Methoden zur Ensemble- und Einzelpartikel-Charakterisierung zur Verfügung welche notwendig sind die tatsächliche spaser Aktion zu identifizieren. Das vorliegende Projekt vereint Elemente der Kolloid- und Polymerchemie, der Physik als auch der theoretischen Simulation. Somit stärkt und erweitert das beantragte Projekt im Rahmen des Emmy Noether Programms das Profilfeld Makromolekül- und Kolloidforschung der Universität Bayreuth und kann gleichzeitig von dem starken wissenschaftlichen Umfeld profitieren. Die Universität Bayreuth stellt eine exzellente Wissenschaftsplattform dar, in der Nachwuchswissenschaftler gezielt gefördert werden und ideale Rahmenbedingungen vorfinden. Es existieren ausgezeichnete Syntheselabore, die auf die Synthese nanostrukturierter Materialien ausgerichtet sind. Darüber hinaus bietet sich eine enorme Methodenvielfalt, die zur Charakterisierung und Verarbeitung komplexer Kolloide von hoher Bedeutung sind. Das beantragte Projekt gliedert sich hervorragend in die Fachgruppe Chemie mit den Lehrstühlen Physikalische Chemie I (Prof. S. Förster), Physikalische Chemie II (Prof. A. Fery) und in die Fachgruppe Physik mit dem Lehrstuhl Ex-perimentalphysik IV (Prof. J. Köhler) ein. Durch Einrichtungen wie dem Bayreuther Zentrum für Kolloi-de und Grenzflächen (BZKG) und dem Bayreuther Institut für Makromolekülforschung (BIMF) stehen dem Projekt wichtige Kernkompetenzen zur Verfügung. Desweiteren gliedern sich die Forschungsinte-ressen des Antragsstellers hervorragend in die Thematik des Sonderforschungsbereichs 840 ein.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Fluorescence Spectrometer
• Gerätegruppe: 1850 Spektralfluorometer, Lumineszenz-Spektrometer (außer Filterfluorometer