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Foto (Matthias Groppe): Holographie-Apparatur von Herrn Dr. Andreas Redler

Foto: Foto (Matthias Groppe): Holographie-Apparatur von Herrn Dr. Andreas Redler

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Physikalische Grundlagenforschung mit neuartigem Meta-Material aus Nano-Gold-Antennen – Erstmals konnte die mesoskopische Symmetrieabhängigkeit nichtlinear-optischer Prozesse nachgewiesen werden

B.Sc. Franziska Zeuner und Prof. Dr. Thomas Zentgraf, Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nanophotonik“ am Department Physik der Uni Paderborn, ist es gemeinsam mit M.Sc. Shumei Chen, Dr. Guixin Li und Prof. Dr. Shuang Zhang von der Universität Birmingham gelungen, zum ersten Mal sogenannte Auswahlregeln für nichtlinear-optische Prozesse mit zirkularen Polarisationszuständen an mesoskopischen Strukturen experimentell zu überprüfen. Dabei untersuchte die Arbeitsgruppe von Prof. Zentgraf einen nichtlinear-optischen Prozess zur Erzeugung der Dritten Harmonischen von Gold-Nanostrukturen in Abhängigkeit von deren Rotationssymmetrie. Die Ergebnisse können für die Herstellung spezieller spinabhängiger Plasmonik-Bauteile genutzt werden, die die Brücke schlagen zwischen ultraschnell, da mit Licht gearbeitet wird, und ultraklein, wie heutige Computerbauteile dimensioniert sein müssen.

In natürlich vorkommenden Materialien wie Gold bestehen aufgrund der Kristallstruktur und der damit einhergehenden Elektronenverteilung bestimmte Symmetrien, die vorgeben, in welche Richtungen Elektronen z. B. unter der Einwirkung eines elektromagnetischen Feldes schwingen können. Dies lässt sich bei natürlichen Materialien nicht verändern, wohl aber bei den Meta-Materialien. „Mit Meta-Materialien erzeugen wir Strukturen, die deutlich größer als einzelne Atome sind, aber immer noch kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Dadurch können wir Eigenschaften in Materialien erzeugen, die eine ganz andere Reaktion auf ein elektromagnetisches Feld haben als es jemals natürliche Materialien haben können,“ erläutert Thomas Zentgraf: „Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung von Bauteilen z.B. in der Nanophotonik.“

Für das Experiment wurden mittels Elektronenstrahllithografie verschiedene Strukturen mit unterschiedlicher Rotationssymmetrie aus 100 bis 200 nm langen Antennen aus Gold erzeugt, beispielsweise ein „Plus“ als eine Struktur, die unter 90°-, 180°-, 270°- und 360°-Drehung noch genauso aussieht wie vorher. Die Antennen weisen unterschiedliche Rotations-Symmetrien, aber gleiche Resonanzfrequenzen auf, an denen das Licht am stärksten mit dem Material wechselwirkt. Das ist wichtig, weil die Umwandlung der Frequenz des eingestrahlten Lichts zur Dritten Harmonischen davon abhängig ist, wie stark das Material von dem Licht polarisiert werden kann. Bei den Auswahlregeln sollte gezeigt werden, dass, obwohl die Strukturen mit dem äußeren Lichtfeld wechselwirken, allein aufgrund der Symmetrie keine Dritte Harmonische einer bestimmten Polarisation erzeugt wird. „Die Resonanzfrequenz eines Systems kann man sich z.B. über den Prozess des Schaukelns klar machen“, erklärt Franziska Zeuner: „Die Schaukel symbolisiert das Elektron, der Anschwung das elektromagnetische Feld. Die Frequenz für das Anschwung geben, bei der man möglichst schnell möglichst hoch schaukelt, entspricht dann der Resonanzfrequenz.“

Während die Forscher in Birmingham die Proben mit einer Kamera, wie sie in jedem digitalen Fotoapparat oder Handy vorhanden ist, untersuchten und über die beobachtete Lichtintensität die theoretischen Voraussagen überprüfen konnten, nutzten die Paderborner Physiker zusätzlich ein Spektrometer, das die Menge einer bestimmten Wellenlänge des Lichts anzeigt. „Mit den Auswahlregeln werden Erwartungen formuliert, wie: Ich erwarte für eine bestimmte Ordnung, hier die dritte Ordnung, für eine Struktur mit einer gewissen Symmetrie entweder ein Lichtsignal oder kein Lichtsignal“ sagt Franziska Zeuner.

Für die experimentellen Untersuchungen wird infrarotes Laserlicht auf die Resonanzfrequenz des Meta-Materials abgestimmt. Mittels einer Kombination aus Wellenplatten und Linear-Polarisatoren wird rechts-zirkular polarisiertes Licht erzeugt und dieses auf die Probe fokussiert. Die Elektronen in den Gold-Nano-Antennen werden durch das elektromagnetische Feld des Laserlichts angeregt, beginnen zu schwingen (oszillieren) und geben das eingestrahlte Licht entweder mit der gleichen Polarisation, der orthogonalen oder mit beiden Polarisationen wieder ab. Detektiert wird dann aber die Wellenlänge, die bei ca. 400 nm, also einem Drittel der ursprünglichen infraroten Wellenlänge des eingestrahlten Lichts liegt. Bei einer Struktur mit vierfacher Rotationssymmetrie, die mit zirkular polarisiertem Licht bestrahlt wurde, konnte immer nur die orthogonale Polarisation beobachtet werden und niemals der gleiche Polarisationszustand. Dieses Verhalten kennt man auch bei natürlichen Materialien, es wurde aber zum ersten Mal für die künstlich hergestellten Meta-Materialien gezeigt, deren Symmetrie-Eigenschaften sich während der Herstellung gezielt einstellen lassen.

Die Originalpublikation kann unter folgendem Link angesehen werden: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.033901

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