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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 sucht man für die Sensorik und für medizinische Anwendungen kompakte Lasersysteme, beispielsweise für Wellenlängen vom nahen Infrarot bis in die Terahertz-Region. Forschende der Technischen Universität München und der University of Texas in Austin/USA haben nun einen nur 400 Nanometer dicken nicht linearen 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 nicht linearen Materialien. Während man beim Einsatz konventioneller Materialien mit nicht linearen optischen Eigenschaften die Phasengeschwindigkeiten der Eingangs- und Ausgangswellen genau abstimmen muss, entfällt diese Einschränkung bei dem neuen Material. Seine Gesamtdicke ist deutlich kürzer als die Wellenlänge.
Das Wundermaterial der Physiker besteht aus einer Abfolge dünner Schichten aus Indium, Gallium und Arsen einerseits und Alumi- nium, Indium und Arsen andererseits. Knapp 100 dieser Schichten, jede zwischen 1 und 12 Nanometer dick, stapeln sie übereinander. Auf der Oberfläche befindet sich ein Muster aus asymmetrischen, kreuzartigen Strukturen aus Gold, auf der Unterseite eine durchgän-gige Goldschicht.
Mit der Schichtdicke und der Oberflächenstruktur besitzen die Forschenden 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.
Die Fähigkeit, die Frequenz eines Lichtstrahls zu verdoppeln, beruht auf den speziellen elektronischen Eigenschaften des Mate- rials. 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 die Forschenden gekoppelte Quantentöpfe.
Indem sie in einem exakt definierten Abstand eine weitere dünne Schicht folgen lassen, können sie diese Zustände zusammenschieben oder auseinanderziehen und damit genau auf die gewünschte Wellenlänge einstellen.
Einen wichtigen Anteil an der hohen Effizienz des Bausteins hat das von den Forschenden 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 sie 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, welche die Einkopplung noch verstärken. Es ist diese spezifische Kombination von Halbleitermaterial und Gold-Nanostrukturen, welche die extrem grosse nichtlineare Reaktion produziert.
In Zukunft wollen die Physiker nach diesem Muster weitere Materialien für andere nicht lineare Effekte entwickeln. Denkbar seien neben der Frequenzverdopplung auch die Frequenzhalbierung sowie die Erzeugung von Summen- oder Differenzfrequenzen. 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 nicht linearen Optik. Weil sie nicht mehr dem Zwang zur Anpassung der Phasengeschwindigkeit unterliegen, begehen die Elemente neue Wege zu effizienten Bausteinen für die Frequenzkonversion.
Giant non-linear 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