Quasi-ungeordnete Strukturen mit vollständiger photonischer Bandlücke 2D und 3D mit beliebig kleinen Brechungsindexkontrasten

• Antragsteller: Professor Dr. Manfred Eich
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278744289

In diesem Projekt untersuchen wir 2- und 3-dimensionale quasi-ungeordnete Strukturen, welche als eine neue Art von verteilten photonischen Quasikristallen verstanden werden können. Wir rechnen damit, dass diese eine vollständige photonische Bandlücke selbst bei beliebig kleinen Brechungsindexkontrasten aufweisen. Während die Strukturen vollständig ungeordnet erscheinen und keinerlei erkennbare Symmetrie aufweisen, besitzen sie dennoch eine Fernordnung und einen hohen Symmetriegrad, die ihnen einzigartige Eigenschaften verleihen. Die dielektrische Verteilung dieses Materials wird mathematisch durch eine Überlagerung sinusförmiger Gitter generiert, die jeweils randomisierte Richtungen und Phasen aufweisen. Durch die Optimierung der verwendeten Gitterzahl kann eine Struktur erzeugt werden, in der die individuellen Bandlücken der einzelnen Gitter sich überlagern und somit eine vollständige und isotrope photonische Bandlücke öffnen. Zusätzlich führt die Öffnung dieser isotropen Bandlücke zu geringen Gruppengeschwindigkeiten an ihren Rändern für alle Richtungen. Dadurch kann die Emission einer Quelle, die in das strukturierte Medium eingebracht wird, bei diesen Frequenzen signifikant erhöht werden.Das primäre Ziel dieses Projekts ist zu zeigen, dass mit dem Strukturierungs-Schema, das wir vorschlagen, selbst bei sehr geringen Brechungsindexkontrasten eine vollständige photonische Bandlücke beobachtet werden kann. Wir wollen eine abgeschlossene Theorie darüber zeigen, wie die optimalen Strukturparameter (Kontrast, Anzahl der Gitter, Größe) zu bestimmen sind, um eine maximale Öffnung der Bandlücke zu erreichen. Diese Theorie soll durch 2D- und 3D-Simulationen gestützt werden. In einer systematischen numerischen Studie sollen Simulationen außerdem Aufschluss über die Empfindlichkeit des minimalen, für die Öffnung einer vollständigen photonischen Bandlücke nötigen Brechungsindexkontrasts gegenüber verschiedener Arten von Defekten geben. Damit sollen Einschränkungen in der praktischen Realisierbarkeit aufgezeigt werden, die härter sind als die theoretisch gefundenen. Basierend auf unserem Ansatz soll eine vollständige 3D-Bandlücke für geringe Brechungsindexkontraste wie 1.55:1 (Polymer/Luft) oder 1.43:1 (Glas/Luft) realisiert werden. Die quasi-ungeordneten Strukturen sollen in 2D und 3D hergestellt und auf ihre Transmissions- und Reflexions-Eigenschaften untersucht werden.Unser Ansatz kann genutzt werden, um die spontane und stimulierte Emission in 2D- und 3D-Strukturen mit geringem Brechungsindexkontrast zu kontrollieren. Unsere neuartigen verteilten Quasikristalle können die Auswahl verfügbarer Materialien für die Realisierung photonischer Bandlücken vergrößern und somit den Weg zu neuen Anwendungen ebnen. Die Ergebnisse werden auch über das Gebiet der Photonik hinaus interessant sein, da der vorgeschlagene Ansatz auch die Theorie über Quasikristalle und Lokalisierungsphänomene in elektronischen, mechanischen und anderen Wellensystemen erweitert.

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