Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultraschnell schaltbare Metamaterialien

19.05.2017

Physiker der Uni Jena entwickeln mit Partnern aus Russland und den USA Metamaterialien, die sich als ultraschnelle optische Schalter eignen

Optische Metamaterialien muten für den Physik-Laien an wie aus einer anderen Welt – lassen sich mit solchen Materialien doch potenziell Dinge unsichtbar machen oder Licht in die falsche Richtung brechen.


Schematische Darstellung des schaltbaren Metamaterials. Die Nanozylinder aus Galliumarsenid sind rund 300 Nanometer hoch. Werden sie mit Laserpulsen beleuchtet, absorbieren sie die Lichtteilchen.

Abbildung: Maxim Shcherbakov


Physikerin Dr. Isabelle Staude vom Institut für Angewandte Physik der Universität Jena.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Möglich wird das durch ihre besondere Struktur: Metamaterialien bestehen aus winzigen maßgeschneiderten Nanopartikeln, die mit elektromagnetischer Strahlung – etwa Licht – auf völlig andere Weise wechselwirken als natürlich vorkommende Materialien.

Die Nanostrukturierung zur Herstellung von Metamaterialien erfolgt zumeist mittels lithografischer Verfahren. Ist sie erst einmal abgeschlossen, so bestimmt sie dauerhaft die Eigenschaften des Metamaterials. Einem Team von Physikern der Staatlichen Universität Moskau (Russland), der Sandia National Laboratories in Albuquerque (USA) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es nun jedoch gelungen, ein Metamaterial mit schaltbaren Eigenschaften zu entwickeln:

Im Fachmagazin Nature Communications stellen die Forscher ultraschnell schaltbare Metamaterialien vor, deren nanoskopische Bausteine bis zu 100 Milliarden Mal in der Sekunde an- bzw. ausgeschaltet werden können (DOI: 10.1038/s41467-017-00019-3).

Die schaltbaren Metamaterialien werden mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt. „Sie bestehen aus einer dünnen Schicht des Halbleiterwerkstoffs Galliumarsenid, auf die Nanopartikel aufgebracht sind, die Lichtteilchen einfangen können“, erklärt Dr. Isabelle Staude von der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Mit anderen Worten: Wenn Licht auf das Material trifft, wird es in den Nanopartikeln eingeschlossen – „verschluckt“ – und kann so intensiv mit dem Material wechselwirken. Die Nanopartikel bestehen ebenfalls aus Galliumarsenid, das von einem glasartigen Material umschlossen ist und haben eine Größe von 300 Nanometern.

Das Prinzip des schaltbaren Metamaterials beruht auf der Erzeugung von Elektronen und entsprechenden Elektronenfehlstellen im Halbleitermaterial durch die Einstrahlung von Licht. Dabei handelt es sich um einen gängigen optoelektronischen Effekt, welcher z. B. auch in Solarzellen und Detektoren Verwendung findet. Durch die Lichtkonzentration in den Nanopartikeln wird dieser Effekt verstärkt. „Wenn wir das Metamaterial mit einem ultrakurzen Laserpuls beleuchten, so absorbieren die Nanopartikel die Lichtteilchen und regen darin die Elektronen und Elektronenfehlstellen an“, erläutert Physikerin Staude.

Die Gegenwart der Ladungsträger führt wiederum dazu, dass sich die optischen Materialeigenschaften des Galliumarsenids im Innern der Nanopartikel verändern. Dies wirkt sich dann direkt auf die optischen Eigenschaften des Metamaterials selbst aus: Während es in seinem Ausgangszustand eine spiegelnde Oberfläche besitzt, die das Licht reflektiert, verliert das Material seine reflektierende Eigenschaften durch die Absorption von Licht.

In Sekundenbruchteilen treffen anschließend Elektronen und Fehlstellen einander und „löschen“ sich gegenseitig aus, was dazu führt, dass das Material seine spiegelnde Oberfläche wiedererlangt. „Diese Funktionsweise lässt sich in Zukunft vielleicht für die Konstruktion photonischer Bauelemente nutzen, beispielsweise in der optischen Signalübertragung oder für neue Mikroskopieverfahren“, sagt Dr. Staude. Bislang existiere das schaltbare Metamaterial lediglich im Labor. Bevor es auch in größerem Maßstab produziert werden wird, so erwartet die Jenaer Physikerin, sei jedoch noch weitere Grundlagenforschung nötig.

Original-Publikation:
Shcherbakov MR et al. Ultrafast all-optical tuning of direct-gap semiconductor metasurfaces, Nature Communications 8, Article number: 17 (2017), DOI:10.1038/s41467-017-00019-3
https://www.nature.com/articles/s41467-017-00019-3

Kontakt (in Jena):
Dr. Isabelle Staude
Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Abbe Center of Photonics
Albert-Einstein-Str. 6, 07745 Jena
Tel.: 03641 / 947566
E-Mail: isabelle.staude[at]uni-jena.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de

Dr. Ute Schönfelder | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rasende Elektronen unter Kontrolle
16.11.2018 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Kometen als Wasserträger für Exoplaneten
15.11.2018 | Universität Wien

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: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kalikokrebse: Erste Fachtagung zu hochinvasiver Tierart

16.11.2018 | Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Mikroplastik in Kosmetik

16.11.2018 | Studien Analysen

Neue Materialien – Wie Polymerpelze selbstorganisiert wachsen

16.11.2018 | Materialwissenschaften

Anomale Kristalle: ein Schlüssel zu atomaren Strukturen von Schmelzen im Erdinneren

16.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics