Nahfeldgekoppelte, nichtlokale optische Metaoberflächen für Polarisations- und Bandstrukturmanipulationen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Zentgraf
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514785315

Jüngste Fortschritte in der modernen Nanotechnologie haben dünne und flache optische Elemente (die sogenannten optischen Metaoberflächen) hervorgebracht, die auf nanoskaligen Strukturen basieren und in der Lage sind, die Eigenschaften von Licht wie Wellenfronten, Amplituden, Polarisation und Frequenz vielseitig anzupassen. Trotz der extrem reduzierten Abmessungen der Elemente ist das Funktionsprinzip im Wesentlichen durch das Huygens-Fresnel-Prinzip gegeben, das praktisch dasselbe ist wie bei herkömmlichen optischen Elementen. Es gibt jedoch einen wesentlichen Unterschied zu traditionellen optischen Elementen. Herkömmliche optische Linsen manipulieren Wellenfronten über die Länge des optischen Weges innerhalb der Linse, während Metaoberflächen auf Resonanzeffekten beruhen, bei denen sich drastische Amplituden- und Phasenänderungen in den spektralen Antworten manifestieren können. Diese spektralen Antworten werden durch die optischen Resonanzen von optischen Nanoresonatoren im Subwellenlängenbereich hervorgerufen.Eine Analogie zu den optischen Resonanzen im Subwellenlängenbereich sind die Elektronenbahnen, die sich auf den Atomgittern in Festkörpern einstellen. Ähnlich wie die Elektronenbahnen könnten die optischen Resonanzen durch Nahfeldkopplungen miteinander "sprechen" und eine kollektive Reaktion aufbauen, die in herkömmlichen optischen Elementen nicht vorkommt. Ein Beispiel sind z. B. chirale Metaoberflächen, die nur auf eine zirkulare Polarisation ansprechen und für die andere zirkulare Polarisation keine Wechselwirkung zeigen. In diesem Projekt werden wir den theoretischen Rahmen und die Designlogik für die gezielte Kontrolle der Kopplung zwischen optischen Nanoresonatoren untersuchen und ihre Möglichkeiten für Wellenmanipulationen in linearen und nichtlinearen Anwendungen weiterentwickeln. Eine maßgeschneiderte Kopplung zwischen den Resonatoren mit einer starken nichtlokalen Wechselwirkung könnte sowohl die Streueigenschaften als auch die Wellenausbreitung innerhalb der Metaoberfläche effektiv verändern. Aufgrund der extremen Subwellenlängengröße in photonischen Resonatoren sind neue Arten von Spin-Orbit gekoppelten Metaoberflächen mit stark erhöhtem Zirkulardichroismus sowie deutlich verbesserten linearen und nichtlinearen Licht-Materie-Wechselwirkungen mit photonischen topologischen Flachbändern denkbar und sollen hier untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen