Vorhersage des optischen Schaltens von Phasenwechselmaterialien für nanophotonische Anwendungen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Dmitry Chigrin; Professor Dr. Thomas Taubner
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518913417

Metasurfaces (MSs) ermöglichen die umfassende Kontrolle über Lichtfelder durch die Manipulation von Amplitude, Phase und Polarisation des Lichts. Dies wird durch Anregung von Resonanzen individueller metallischer oder dielektrischer Nano-Resonatoren (“Meta-Atome”) erzielt, die auf einer Oberfläche angeordnet sind. Auf MSs basierende optische Instrumente können daher sehr viel dünner als herkömmliche optische Elemente sein (z.B. Linsen aus Glass). Durch den Einsatz schaltbarer Materialien wie chalkogenider Phasenwechselmaterialien (PCMs) können MS auch nach der Fabrikation noch verändert werden. PCMs können non-volatil zwischen amorphen und kristallinen Phasen geschaltet werden, die drastisch unterschiedliche optische Eigenschaften haben, insbesondere im infraroten Spektralbereich. Erst vor kurzem haben wir gezeigt, dass es möglich ist, einzelne Meta-Atom-Skala mit fokussiertem sichtbarem Licht gezielt zu verändern. Durch die Veränderung der PCM-Phase auf Meta-Atom-Ebene ist es möglich, MSs nach der Herstellung neu zu konfigurieren - oder zu "programmieren" - und die Verwendbarkeit und Vielseitigkeit der MSs drastisch zu erhöhen. Aufgrund der allgemeinen nicht-stationären Natur des Schaltvorgangs und der Komplexität des Meta-Atom- Designs ist die deponierte Energie im PCM inhomogen und der resultierende Phasenübergang räumlich ungleichmäßig. Die drastischen Änderungen der Materialeigenschaften während des Phasenübergangs führen weiterhin zu lokal ungleichmäßigen zeitabhängigen Änderungen der absorbierten Energie und der Wärmeleitung. Einfache theoretische Näherungen, die gute Vorhersagen z.B. für das Schalten kompletter MS zeigen, reichen nicht aus, um Phasenübergänge auf der Meta-Atom-Längenskala zu beschreiben. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist die Optimierung des optischen Schaltens von MSs auf Basis von PCMs. Dies unterscheidet sich deutlich vom bisher untersuchten Schalten von PCMs in der optischen Datenspeicherung, da dort nur die laterale Kontraständerung wichtig war. Hingegen ist es hier nun notwendig, die 3D-Kristallisation innerhalb einer PCM-MS genau zu kontrollieren, wo schon kleinste Kristallisationsänderungen zu einer drastischen Änderung des optischen Verhaltens führen können. Dafür werden wir ein komplexes, selbstkonsistent gekoppeltes Multiphysik- Simulationsmodell entwickeln. Dabei sind experimentelle und theoretische Arbeiten eng verknüpft. Die Verifizierung der Simulationen durch experimentelle Untersuchungen ermöglicht es, das notwendige Verständnis zu entwickeln und dieses Wissen in ein umfassendes Simulationsmodell umzusetzen. Die Umsetzung dieses Verständnisses für das optische Schalten wird eine drastische Erhöhung der Lebensdauer und der Schaltstabilität von neuartigen optischen Geräten wie ultradünnen einstellbaren Linsen ermöglichen. Die gleichen Konzepte können dann auch auf andere PCM- inkorporierende Systeme angewendet werden, wie z. B. durchstimmbare Wellenleiter in der integrierten Photonik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen