Hybride Photonik-Metamaterialien auf Multiskala
Das Gebiet der Optik wächst rapide. Zwei wichtige Forschungsbereiche betreffen hier die Photonik und optische Metamaterialien. In der Photonik untersucht man mesoskalige Phänomene, bei denen Lichtpakete ähnlich wie Elektronen in der Elektronik behandelt werden. Bei optischen Metamaterialien geht es um Strukturen im Nanomaßstab mit Dimensionen in Subwellenlängenbereich, die Eigenschaften verleihen, die nur schwer in der Natur zu finden sind. Eine Kombination dieser beiden Strukturtypen auf kontrollierte Art und Weise innerhalb von Hybrid-Bauelementen könnte in bislang noch nie erreichten und ungeahnten Funktionalitäten resultieren. Mit EU-Finanzhilfen des Projekts HYPHONE (Hybrid photonic metamaterials at the multiscale) entwickelte Multiskalenmodelle unterstützen bereits den Entwurfsprozess. Die Forschung konzentrierte sich auf hyperbolische Metamaterialien, eine der ungewöhnlichsten und spannendsten neue Klassen elektromagnetischer Metamaterialien. Das theoretische Rahmenwerk beschreibt die Wellenausbreitung in inhomogenen Medien, die aus Metall-Dielektrikum-Hybrid-Multischichten bestehen. Bei diesen Medien werden gleichzeitig photonische Phänomene und exotische Plasmonenwellen genutzt, die, was einzigartig für hyperbolische Metamaterialien ist, durch Kopplung von Elektronen mit Licht in einer fremdartigen nanoskaligen Metall-Dielektrikum-Umgebung erzeugt werden. Die Arbeiten begannen mit eindimensionalen Plasmonen-Monoschichten als Bausteine, die zu Plasmonen-Multischichten und nachfolgend zu mehrschichtigen hyperbolischen Multiskalen-Metamaterialien kombiniert wurden. Derzeit verfolgen die Wissenschaftler die experimentelle Realisierung derartiger hyperbolischer Multiskalen-Metamaterialien. Daraus könnten Ressourcen für eine markierungsfreie biologische Bildgebung und Manipulation mit nanoskopischer Auflösung erwachsen, die der modernen Biologie und Chemie mehr Schwung verleihen. Unter besonderer Beachtung der Maximierung der Photonen-Elektronen-Wechselwirkungseffekte wurden dann die eindimensionalen Design-Prinzipien auf Basis von Nanopartikelgittern und mit Mikrovertiefungen gemusterten Membranen auf zweidimensionale Strukturen erweitert. Das Team entdeckte neue photoelektrische Effekte in Nanopartikelgittern, die den Weg zu neuartigen Photodetektoren und Solarzellen sowie neuen Verfahren der Photokatalyse, Photochemie und Photoelektrochemie bereiten könnten. In der experimentellen Arbeit bestätigte sich die theoretische Vorhersage der Polarisationssteuerungseigenschaften von Mikrovertiefungsmembranen im Terahertzbereich. Dieser sehr hohe Frequenzbereich ist für zahlreiche innovative Anwendungen in der Spektroskopie, medizinischen Bildgebung und im Sicherheitsbereich von Belang. Die HYPHONE-Modelle und experimentellen Resultate konnten die Forschungslücke zwischen Photonik und Metamaterialien schließen und damit den Weg zu neuartigen Bauelementen für integrierte optische Anwendungen freimachen. Auf diesem Weg hat das Konsortium eine neue Generation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern geschult, die bereit sind, die Grenzen eines aufstrebenden interdisziplinären Felds mit einem Potenzial in Hinsicht auf wichtige sozioökonomische Auswirkungen weiter zu stecken.
Schlüsselbegriffe
elektromagnetisch, Metamaterialien, Multiskalen, Hybrid, Photonik, Plasmonen, Superresolution, Fotoelektrizität, Polarisation, Multilayer, Mehrfachschichten
