Superlens Tuning by Ferroelectrics (STuFe)

• Applicant: Dr. Susanne Kehr
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics ; Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2015 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 282590387

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Im Projekt Durchstimmbarkeit von Superlinsen durch Ferroelektrika (STuFe) wurde die Durchstimmbarkeit von ferroelektrischen Superlinsen im mittleren Infrarotbereich experimentell untersucht. Diverse ferroelektrische Materialien (BTO, LNO, BFO, PZT und GVS) sowie ferroelektrische Superlinsen wurden bezüglich nanoskopischen optischen Ansprechens und Manipulierbarkeit durch elektrische Felder charakterisiert. Hierfür wurden verschiedene makroskopische und nanoskopische Methoden angewendet wie Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie und zahlreiche Rastersondenmethoden wie Rasterkraftmikroskopie, Piezo-response und Kelvin-Sonden Kraftmikroskopie sowie streuende Nahfeldmikroskopie. Letztere wurde in Kombination mit dem Freie-Elektronen-Laser FELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf im Wellenlängen-Bereich von l = 10-65 µm angewendet und beinhaltete Studien bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen bis 150 K. Die Kombination dieser Methoden erlaubte eine umfassende Analyse der Materialeigenschaften. Des Weiteren wurden ferroelektrische Domänen durch externe elektrische Felder manipuliert. Nanoskopische Infrarot-Signaturen wurden auf den verschiedenen Ferroelektrika aufgenommen und zeigten eine resonante Überhöhung innerhalb des Reststrahlenbandes der Phononen-Moden. Der Einfluss von ferroelektrischen Domänen bei Raumtemperatur und in verschiedenen Tieftemperatur-Phasen wurde untersucht und zeigte eine Abhängigkeit von der Orientierung der ferroelektrischen Polarisation in Bezug auf die Probenoberfläche. Das Anlegen externer elektrische Felder modifiziert das optische Verhalten, welches insbesondere durch Schalten von Domänen für die Durchstimmbarkeit von Superlinsen signifikante Größenordnungen erreicht. Verschieden aufgebaute Superlinsen wurden im mittleren infraroten bis THz Bereich untersucht. Dabei wurde ein Auflösungsvermögen der Linsen deutlich unterhalb des Beugungslimits von bis zu l/50 gezeigt. Bemerkenswerterweise können hierbei die Linsen selbst in ihrer Abmessung kleiner sein als die verwendete Wellenlänge, so dass Anwendungen im Bereich der integrierten Optik denkbar sind. Bezüglich der Durchstimmbarkeit von Superlinsen wurde gezeigt, dass Änderungen der Domänenstruktur das spektrale Ansprechen der Superlinsen beeinflusst, sobald die Domänen in der aktiven Schicht vorhanden sind. Jedoch sind weitere Untersuchungen notwendig, um dieses Verhalten von überlagerten Oberflächenpolaritonen zu trennen. Des Weiteren war die Schaltbarkeit bei den verwendeten Linsen durch die natürliche Domänenkonfiguration der Materialien eingeschränkt. Zusammenfassend wurde bei ferroelektrischen Superlinsen ein Auflösungsvermögen weit unterhalb des Beugungslimits von l/50 nachgewiesen. Die Manipulation ferroelektrischer Domänen in diesen Linsen durch externe elektrische Felder resultierte in einer Veränderung der Superlinsenwellenlänge von Dl=500 nm.

Publications

• A Local Superlens. ACS Photonics 3, 20-26 (2016)
  S.C. Kehr, R.G.P. McQuaid, L. Ortmann, T. Kämpfe, F. Kuschewski, D. Lang, J. Döring, J.M. Gregg, and L.M. Eng
  
• Low-temperature piezoresponse force microscopy on barium titanate. Journal of Applied Physics 120, 84103 (2016)
  J. Döring, L.M. Eng, and S.C. Kehr
  
• Characteristics of ferroelectric-ferroelastic domains in Néel-type skyrmion host GaV4S8. Scientific Reports 7, 44663 (2017)
  A. Butykai, S. Bordács, I. Kézsmárki, V. Tsurkan, A. Loidl, J. Döring, E. Neuber, P. Milde, S.C. Kehr, and L.M. Eng
  
• FEL-Based Near-Field Infrared to THz Nanoscopy. Synchrotron Radiation News 30 (4), 31-35 (2017)
  S.C. Kehr, J. Döring, M. Gensch, M. Helm, and L.M. Eng
  
• Infrared nanoscopy down to liquid helium temperatures. Review of Scientific Instruments 89, 033702 (2018)
  D. Lang, J. Döring, T. Nörenberg, Á. Butykai, I. Kézsmárki, H. Schneider, S. Winnerl, M. Helm, S.C. Kehr, and L.M. Eng
  
• Low-temperature nanospectroscopy of the structural ferroelectric phases in single-crystalline barium titanate. Nanoscale 10, 18074-18079 (2018)
  J. Döring, D. Lang, L. Wehmeier, F. Kuschewski, T. Nörenberg, S.C. Kehr, and L.M. Eng