Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hocheffiziente nichtlineare Metamaterialien für die Laser-Technik: Eine Million mal besser

03.07.2014

Trotz aller Fortschritte gibt es noch immer nicht für alle gewünschten Frequenzen geeignete Laser-Systeme.

Manche dieser Frequenzen kann man mit Frequenzverdopplern erzeugen, die nichtlineare optische Eigenschaften nutzen. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und der University of Texas (Austin, USA) haben nun einen optischen Baustein entwickelt, dessen nur 400 Nanometer dicke Schicht, 100-mal dünner als ein menschliches Haar, verschiedenste Frequenzen verdoppeln kann und eine Million mal effizienter ist als traditionelle Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften.


Ein nur 400 Nanometer dicker, nichtlinearer Spiegel aus knapp 100 Halbleiterschichten verdoppelt die Frequenz des eingestrahlten Lichts. Grafik: University of Texas, Austin

Laser haben sich für viele Anwendungen fest etabliert. Doch noch immer gibt es Wellenlängen, für die es keine oder nur sehr große und teure Systeme gibt. Andererseits werden für die Sensorik und für medizinische Anwendungen kompakte Lasersysteme gesucht, beispielsweise für Wellenlängen vom nahen Infrarot bis in die Terahertz-Region.

Forscher der Technischen Universität München und der University of Texas in Austin (USA) haben nun einen nur 400 Nanometer dicken nichtlinearen Spiegel entwickelt, der die Frequenz des eingestrahlten Lichts verdoppelt. Dafür reicht eine Eingangslichtintensität wie die eines Laserpointers. Gemessen an der Eingangsintensität und der Strukturdicke sind die neuen optischen Bausteine etwa eine Million mal effizienter als die besten herkömmlichen nichtlinearen Materialien.

Während beim Einsatz konventioneller Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften die Phasengeschwindigkeiten der Eingangs- und Ausgangswellen genau abgestimmt werden müssen, entfällt diese Einschränkung bei dem neuen Material. Seine Gesamtdicke ist deutlich kürzer ist als die Wellenlänge.

Das Supersandwich

Das Wundermaterial der Physiker besteht aus einer Abfolge dünner Schichten aus Indium, Gallium und Arsen einerseits und Aluminium, Indium und Arsen andererseits. Knapp 100 dieser Schichten, jede zwischen einem und zwölf Nanometer dick, stapeln sie übereinander.

Auf der Oberfläche befindet sich ein Muster aus asymmetrischen, kreuzartigen Strukturen aus Gold, auf der Unterseite eine durchgängige Goldschicht. Mit der Schichtdicke und der Oberflächenstruktur besitzen die Forscher zwei Stellschrauben, mit denen sie die Struktur auf die jeweilige Wellenlänge präzise maßschneidern können.

Licht mit 8000 Nanometern Wellenlänge verwandelt das Material in Licht mit 4000 Nanometern Wellenlänge. „Mit Laserlicht in diesem Frequenzbereich lassen sich beispielsweise Gassensoren für die Umwelttechnik bauen“, sagt Frederic Demmerle, Mitarbeiter des Projekts am Walter Schotty Institut der TU München.

Kleiner als die Wellenlänge

Die Fähigkeit, die Frequenz eines Lichtstrahls zu verdoppeln, beruht auf den speziellen elektronischen Eigenschaften des Materials. Weil die Halbleiterschichten nur wenige Nanometer dick sind, können die von den elektromagnetischen Schwingungen des Lichts angeregten Elektronen nur noch ganz bestimmte Zustände einnehmen.

„Eine solche Struktur nennen wir gekoppelte Quantentöpfe“, sagt Frederic Demmerle. „Indem wir nun in einem exakt definierten Abstand eine weitere dünne Schicht folgen lassen, können wir diese Zustände zusammenschieben oder auseinander ziehen und damit genau auf die gewünschte Wellenlänge einstellen.“

Einen wichtigen Anteil an der hohen Effizienz des Bausteins hat das von den Forschern an der University of Texas unter der Leitung der Professoren Michail Belkin und Andrea Alu entwickelte Muster aus asymmetrischen, kreuzförmigen Goldstrukturen. Das Design dieser Strukturen können die Forscher optimal auf maximale Resonanz mit den Ein- und Ausgangsfrequenzen abstimmen.

Die Muster sind zwar wesentlich kleiner als die Wellenlänge des Lichtes, doch die regelmäßige metallische Struktur sorgt dafür, dass das Licht in das Material einkoppelt. Ihre besondere Form führt dazu, dass es an bestimmten Stellen starke Feldüberhöhungen gibt, die die Einkopplung noch verstärken. „Es ist diese spezifische Kombination von Halbleitermaterial und Gold-Nanostrukturen, die die extrem große nichtlineare Reaktion produziert“ sagt Frederic Demmerle.

Terahertz-Strahlung

In Zukunft wollen die Physiker nach diesem Muster weitere Materialien für andere nicht-lineare Effekte entwickeln. „Denkbar ist neben der Frequenzverdopplung auch die Frequenzhalbierung sowie die Erzeugung von Summen- oder Differenzfrequenzen“, sagt Jongwon Lee, Forscher an der University of Texas und Erstautor der Publikation. „Mit solchen Bausteinen ließe sich dann beispielsweise Terahertz-Strahlung erzeugen und detektieren. Auf diese Strahlung setzt die Medizin, weil sie biologisches Gewebe nicht schädigt.“

„Indem sie außergewöhnliche elektromagnetische Wechselwirkungen und die Quantenphysik von Metamaterialien miteinander verknüpft, eröffnet diese Arbeit ein völlig neues Forschungsfeld im Bereich der nichtlinearen Optik“, sagt Professorin Andrea Alu.

„Weil sie nicht mehr dem Zwang zur Anpassung der Phasengeschwindigkeit unterliegen, eröffnen die in dieser Arbeit entwickelten ultradünnen nichtlinearen optischen Elementen neue Wege zu effizienten Bausteinen für die Frequenzkonversion“, sagt Professor Mikhail Belkin.

Die Arbeit der Forschungsgruppe der University of Texas wurde gefördert von der National Science Foundation der USA, der US Air Force (Office of Scientific Research), des US Office of Naval Research. Die Arbeiten im Walter Schottky Institut wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Exzellenzinitiative (Cluster of Excellence Nanosystems Initiative Munich, NIM) gefördert.

Publikation
Giant nonlinear response from plasmonic metasurfaces coupled to intersubband transitions
Jongwon Lee, Mykhailo Tymchenko, Christos Argyropoulos, Pai-Yen Chen, Feng Lu, Frederic Demmerle, Gerhard Boehm, Markus-Christian Amann, Andrea Alù, and Mikhail A. Belkin, Nature, 03.07.2014, DOI: 10.1038/nature13455

Kontakt:
Prof. Dr. Markus C. Amann
Technische Universität München
Walter Schottky Institut
Am Coulombwall 4, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 11580 – E-Mail: markus-christian.amann@tum.de
Internet: http://www.wsi.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle
07.12.2016 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

nachricht Das Universum enthält weniger Materie als gedacht
07.12.2016 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie