Hochbrechende dielektrische Nanopartikel als neue Plattform für die Nanophotonik

• Antragstellerin: Professorin Dr. Isabelle Staude
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279916641

Dieses Projekt strebt die Entwicklung einer neuen nanophotonischen Plattform basierend auf dielektrischen Nanopartikeln mit hohem Brechungsindex an. In solchen Nanopartikeln lassen sich lokalisierte elektrische und magnetische multipolare Resonanzen optisch anregen und durch die Größe, Form, und Materialkomposition der Nanopartikel massschneidern. Dementsprechend lassen sie sich analog zu den plasmonischen Resonanzen metallischer Nanopartikel zur Manipulation von Lichtwellen auf der Nanoskala einsetzen. Im Gegensatz zu nanoplasmonischen Systemen, welche durch starke Verluste beeinträchtigt werden, sind dielektrische Nanopartikel jedoch praktisch verlustfrei, wodurch sie bereits für viele linear-optische Anwendungen deutlich höhere Effizienzen erreichen. Dieses Projekt wird jedoch dieses Regime passiver, linear-optischer Systeme verlassen, und wird dielektrische Nanopartikelstrukturen zur Manipulation nichtlinear optischer Effekte und Emissionsphänomene einsetzen. Das erste Teilprojekt widmet sich der Untersuchung nichtlinearer optischer Effekte in dielektrischen Metaoberflächen, welche eine resonante Verstärkung der Licht-Materie Wechselwirkung mit einer durch das Strukturdesign maßgeschneiderten optischen Antwort verbinden. Im Vergleich zu plasmonischen Metaoberflächen lassen sie sich mit höheren Intensitäten anregen, und die nichtlineare Antwort ist robuster gegenüber schwer kontrollierbaren Oberflächeneigenschaften, da die optischen Nahfelder innerhalb des nichtlinearen Materials konzentriert sind. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist durch den multipolaren Charakter der Resonanzen gegeben. Durch dessen gezielte Kontrolle möchte dieses Projekt der Rolle der magnetischen und quadrupoaren Beiträge zur nichtlinearen Antwort auf den Grund gehen. Darüber hinaus soll das Konzept inhomogener Metaoberflächen auf das nichtlineare Regime verallgemeinert werden um Kontrolle über die direktionalen Eigenschaften der durch nichtlineare Prozesse erzeugten Lichtwellen zu erhalten.Das zweite Teilprojekt hat die Realisierung von dielektrischen Nanoantennen zum Ziel, welche mit Nanoemittern gekoppelt werden. Die niedrigen Materialverluste führen unmittelbar zu einem hohen Strahlungswirkungsgrad und hohen Quanteneffizienzen für das gekoppelte System. Zudem ist erneut der multipolare Charakter der Resonanzen ein entscheidender Faktor. Zum einen ermöglicht er den Einsatz multipolarer Interferenz zur Erzeugung direktionaler und polarisierter Abstrahlung. Zum anderen bietet er einen experientellen Zugang zur Untersuchung der Verstärkung der photonischen Zustandsdichte von elektromagnetischen Übergängen höherer Ordnung, insbesondere magnetischer Dipol- und elektrischer Quadrupolübergänge in den optischen Nahfeldern der maßgeschneiderten multipolaren Resonanzen.Dieses Projekt wird Nanopartikel aus Silizium und aus Verbindunghalbleitern verwenden. Letztere emöglichen niedrige Verluste und einen hohen Brechungsindex im sichtbaren Spektralbereich.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Inductively Coupled Plasma (ICP) etching system
• Gerätegruppe: 5180 Elektronen- und Ionenstrahl-Quellen und -Bearbeitungsgeräte