Silber-Nanodraht-Hyperlinsen

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Reinhardt; Professor Dr. Jörg Schilling
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270871479

Aufgrund ihrer hyperbolischen Dispersionsrelation für elektromagnetische Wellen erlauben Metall-Nanodraht-Ensembles die Umformung von evaneszenten in propagierende Wellen. Diese Eigenschaft ist von besonderer Bedeutung für hochauflösende Abbildungen und Fokussierung von Licht jenseits des klassischen Beugungslimits. Obwohl verschiedene Hyperlinsengeometrien bereits theoretisch untersucht worden sind, wurde bisher nur eine auf einem gekrümmten Metall-dielektrischen Schichtsystem basierende Struktur experimentell realisiert. Insbesondere wurde die Nutzung von Metall-Nanodraht-Ensembles bisher experimentell noch nicht gezeigt, obwohl die Theorie eine Vielfalt von Vorteilen für diese Nanodraht-Hyperlinsen vorhersagt.Wir beabsichtigen daher, die Fokussierung und Abbildung unterhalb des Beugungslimits mit Hilfe solcher Nanodraht-basierten Hyperlinsen zu untersuchen. Dabei sollen zwei verschiedene Hyperlinsengeometrien hergestellt und erprobt werden, die beide auf Silber-Nanodraht-Ensembles basieren und eine ebene untere Grenzfläche aufweisen, an der das abzubildende Objekt platziert bzw. der Nano-Fokus einer transmittierten Welle erzeugt werden kann. Damit erlauben sie die Fokussierung von einfallenden ebenen Wellen und (durch Umkehrung des Lichtweges) auch die Erzeugung von Fernfeldabbildungen von subwellenlängen-großen Objekten. Es wird erwartet, dass die Absorption in diesen Hyperlinsen geringer ist, als bei den bisher untersuchten Metall-dielektrischen Vielfachschichtsystemen, da sie spektral deutlich unterhalb der Oberflächenplasmonenresonanz operieren. Durch den Breitbandcharakter der hyperbolischen Dispersionsrelation in Silber-Nanodraht-Ensembles können so Hyperlinsen für verschiedene Spektralbereiche hergestellt werden, die nicht an eine einzige spezifische Wellenlänge (Oberflächenplasmonenresonanz) gebunden sind. Zudem verspricht die Herstellung solcher Nanodraht-Hyperlinsen robuster und einfacher zu sein, als die Vielfachabscheidung ultra-glatter Schichten. Zum Nachweis der Nano-Fokussierung sollen Weißlicht-SNOM-Messungen und Multi-Photonen-Lithographie eingesetzt werden. Durch die Veränderung der Periode und des Durchmessers der Silber-Nanodrähte wird dabei auch der Einfluss der räumlichen Dispersion des Silber-Nanodraht-Metamaterials untersucht werden. Die Begrenzung der Auflösung aufgrund der Absorption der höheren Wellenvektoren soll ebenfalls betrachtet werden.Neben den direkten experimentellen Ergebnissen zur Nanofokussierung und hochauflösenden Abbildung jenseits des Beugungslimits, besitzt das Projekt auch Bedeutung für die kürzlich intensiv diskutierte Möglichkeit der erhöhten thermischen Emission. Dabei spielt die stark erhöhte photonische Zustandsdichte aufgrund der hyperbolischen Dispersion die entscheidende Rolle. So ist abzusehen, dass die hier vorgeschlagenen Silber-Nanodraht-Metamaterialien auch Wege zu Anwendungen im Bereich der radiativen Kühlung und erhöhten Lichtemission im Infrarot in Zukunft eröffnen könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen