Kohärente Kontrolle Plasmonischer Brennpunkte in Nanoantennen

• Antragsteller: Professor Dr. Achim Hartschuh
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326694053

Metall-plasmonische Nanoantennen können dazu verwendet werden, Licht auf der Nanometerskala zu bündeln um so die optischen Signale von Probenobjekten in ihrer Nähe oder auch ihre eigenen Signale massiv zu verstärken. Diese Fähigkeit nanoskalige Brennpunkte zu erzeugen und die praktisch unbegrenzte Vielfalt von Nanoantennen hinsichtlich Größe, Form und Materialzusammensetzung eröffnet eine Vielfalt von Anwendungen und stimuliert vielfältigste Forschungsaktivitäten im Bereich der Plasmonik. Insbesondere die nichtlineare Optik hat aufgrund ihrer stärkeren Intensitätsabhängigkeit das Potential besonders von der lokalen Lichtverstärkung, welche durch Plasmonen-Resonanzen verursacht wird, zu profitieren. Durch die sehr kurze Antwortzeit lokalisierter Plasmonen, typischerweise unter 10 fs, sind Nanoantenenn möglicherweise für ultraschnelle Anwendungen, beispielsweise in der optischen Informationsverarbeitung und der Spektroskopie geeignet. Ziel dieses Projekts ist die Kontrolle der nichtlinearen Brennpunkte in einzelnen Nanoantennen mittels Laserpulsformungs-Mikroskopie. Unser Ansatz beruht dabei auf der Hypothese, daß durch die gezielte Pulsformung die räumliche und spektrale Interferenz unterschiedlicher Plasmonen-Resonanzen und dadurch der Entstehungsort des emittierten nichtlinearen Signals kontrolliert werden kann. Zuerst werden wir zeigen, daß die räumliche Verteilung der Brennpunkte innerhalb einer Nanoantenne allein durch die gezielte Variation der spektralen Phase mit Nanometer-Genauigkeit gesteuert werden kann. Die räumliche Kontrolle überprüfen wir dabei mit einer scharfen Sonde und mittels eines Super-Auflösungs-Ansatzes, bei dem wir die Position des nichtlinearen Signals verfolgen. Begleitende numerische Modellrechnungen sollen die beobachteten Verschiebungen der Brennpunkts-Verteilung beschreiben und das Design neuer Nanoantennen mit maximaler Kontrollierbarkeit unterstützen. Zur Suche nach optimalen Phasenprofilen werden wir unter anderem selbstoptimierende Algorithmen verwenden. Danach zielen wir auf die Kontrolle der räumlichen Abstrahlung des durch die Antenne emittierten nichtlinearen Signals. Schließlich untersuchen wir, ob die erzielte Kontrolle der Brennpunkte zur räumlich-zeitlich aufgelösten Spektroskopie von Nanomaterialen verwendet werden kann. Hierzu platzieren wir ausgewählte 2D Materialien wie Graphen, MoSe2 und MoS2 auf den Nanoantennen. Durch die Variation des Zeitabstands zweier Phasen-kontrollierter Pulse sollte es uns dann möglich sein, zwei unterschiedliche Brennpunkts-Verteilungen zu generieren, welche als Anregungs- und Abfragepuls fungieren. Wir werden dann die optischen Signale der 2D Materialien und der Nanoantenne gleichzeitig verfolgen um mögliche Korrelationen aufzuzeigen. Unsere Ergebnisse werden wesentlich zu unserem Verständnis der nicht-linear Plasmonik und der kohärenten Kontrolle beitragen und neue Einblicke in die nicht-lokalen optischen Eigenschaften von 2D Materialien auf der Nanometerskala liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen