Anwendungen und Leistungsfähigkeit resonanter optischer Antennen
Measurement Systems
Final Report Abstract
Antennen für Radiowellen gehören heute zu den am häufigsten - meist jedoch unwissentlich oder unbemerkt - verwendeten elektronischen Gerätschaften. Die Entwicklung von Radiowellenantennen gehört zum Standardrepertoire der Ingenieurswissenschaften. Es stellt sich die Frage, ob nicht die fantastischen Eigenschaften von Antennen zur Manipulation elektromagnetischer Wellen auch auf optische Frequenzen übertragen werden können. Aufgrund der Wellenlänge von etwa 500 nm müssen Antennen für Licht sehr klein sein. Hier warten jedoch mögliche Anwendungen im Bereich der on-chip optischen Kommunikation, sowie Sensorik und Mikroskopie. Leider können Antennen für Licht nicht einfach durch Verkleinerung von Radiowellenantennen hergestellt werden. Aufgrund der sehr hohen Frequenzen verhalten sich die Elektronen in den Leitern vergleichsweise träge und können dem externen Feld nicht folgen. Die Folge ist ein Eindringen optischer Felder in das Antennenmaterial und die Ausbildung von Volumenströmen, welche bei Radiowellen nicht auftreten. Wir haben deshalb in diesem Projekt genetische Algorithmen eingesetzt um optische Antennen zu optimieren und um so Designregeln zu finden, die für optische Frequenzen anwendbar sind (Titelblatt PRL 21.09.2012). Solche Regeln konnten nun erfolgreich etabliert werden. Eine für die Sensorik und Mikroskopie wichtige Frage betrifft die untere Grenze der Lokalisierbarkeit von Licht durch optische Antennen. Auch hier wurden grundlegende Experimente durchgeführt um die Grenzen auszuloten. Überraschenderweise findet man, dass Photonen auf räumliche Bereiche von der Größenordnung der atomaren Periodizität im verwendeten Material (Gold) eingeschränkt werden können. Dies hat wichtige Auswirkung auf weitere Experimente, in den wir Licht-Materie-Wechselwirkung in solchen Felder untersucht haben. Hier konnte erstmals "starke Kopplung " von Licht und Materie bei Raumtemperatur nachgewiesen werden.
Publications
- Optical and electrical excitation of nanoantennas with atomic-scale gaps (2014)
J. Kern
- Plasmonic nanoantenna design and fabrication based on evolutionary optimization
Thorsten Feichtner, Oleg Selig, Bert Hecht
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.25.010828) - Mode matching for optical antennas
Thorsten Feichtner, Silke Christiansen, Bert Hecht
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.217401) - Optimal Design of Focusing Nanoantennas for Light Novel Approaches: From Evolution to Mode-Matching (2016)
T. Feichtner
