Lumineszenz Aufwärtskonversions-Nanoskopie - LUNA

• Antragsteller: Dr. Niclas Müller
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551280726

Meine Forschung ist von der Faszination angetrieben, Licht auf der Nanoskala zu manipulieren und zu kontrollieren, sowohl im sichtbaren (VIS) als auch im infraroten (IR) Spektralbereich. Allerdings existieren IR- und VIS-Nanooptik derzeit als zwei nahezu unabhängige Forschungsfelder, sodass das enorme Potenzial von IR+VIS Dualband-Anwendungen, die die einzigartigen Funktionalitäten beider Felder kombinieren, derzeit nicht ausgeschöpft wird. Diese Trennung ergibt sich aus einem grundlegenden Problem: Es gibt keinen effizienten Kopplungsmechanismus zwischen den jeweiligen Materialanregungen, wie z.B. Exzitonen im VIS und Phonon-Polaritonen im IR. Das Ziel von LUNA besteht darin, nanoskopische Ansätze zur Kopplung von Phonon-Polaritonen mit VIS-optischen Anregungen zu entwickeln, und damit eine Brücke zwischen der IR- und VIS-Nanooptik zu bauen. Wir werden die konventionellen Auswahlregeln der Elektron-Phonon-Kopplung durch Verwendung speziell entwickelter Nanostrukturen brechen, um neue IR+VIS-Kopplungskanäle zu aktivieren. Dafür werden wir mit Farbzentren in polaren Halbleitern sowie Exzitonen in 2D-Materialien und Heterostrukturen arbeiten. Die extreme Komprimierung von IR-Licht durch Phonon-Polaritonen wird uns dabei helfen, den Wellenlängenunterschied zum VIS zu kompensieren. Die Schlüsselmethode zur Untersuchung dieser Kopplung ist Lumineszenz-aUfwärtskonversions-NAnoskopie (LUNA): Ein sichtbarer Laser beleuchtet ein Material unterhalb seiner elektronischen Übergangsenergie, und die fehlende Energie wird durch die IR-Anregung eines Phonon-Polaritons bereitgestellt. Dies aktiviert Photolumineszenz Aufwärtskonversion - ein Prozess der hier durch die Kopplung von Phonon-Polaritonen an Exzitonen und Farbzentren ermöglicht wird. Wir werden dies in einem optischen Nahfeldmikroskop implementieren, in dem IR- und VIS Laserlicht durch eine metallische Spitze in den Nanometer-Bereich fokussiert wird. Dieser einzigartige Aufbau ermöglicht korrelative IR+VIS Nanoskopie und spitzenverstärkte Aufwärtskonversion. Wir werden Exzitonen als Sensoren für die einzigartigen Propagationsmuster von Phonon-Polaritonen verwenden. Darüber hinaus werden wir Dual-Kavitäten und -Wellenleiter entwickeln, um die Aufwärtskonversion zu verstärken und räumlich zu kontrollieren. Das ist ein erster Schritt für die Entwicklung von nanooptischen Schaltkreisen, die Frequenzkonversion und Multiplexing ermöglichen. Auf dem Weg zu diesen Anwendungen möchten wir ein detailliertes Verständnis der Wechselwirkung von VIS-Anregungen mit Phonon-Polaritonen erlangen, und die Grundlagen für kombinierte IR+VIS Nanooptik mit Festkörpermaterialien erarbeiten.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Tunable IR+VIS laser ; VIS spectrometer + CCD camera ; near-field optical microscope
• Gerätegruppe: 1800 Spektralphotometer (UV, VIS), Spektrographen (außer Monochromatoren 565) ; 5091 Rasterkraft-Mikroskope ; 5700 Festkörper-Laser