Sonderprojekte zwischen Bayern und Georgia
Attosecond Imaging
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Dep. of Physics & Astronomy
Georgia State University
Ultraschnelle Nanoplasmonik: Schlüssel zur ultraschnellen Kommunikationstechnologie
Diese Kooperation dient der Grundlagenforschung zur Wechselwirkung zwischen metallischen Nanostrukturen und optischer Strahlung. Durch Lichtpulse angeregte Plasmonen erzeugen um die Metallstruktur stark lokalisierte und gleichzeitig hoch verstärkte elektromagnetische Felder. Beide dieser Eigenschaften machen solche Systeme hochinteressant für künftige optoelektronische Bauelemente. Ziel unserer Arbeit ist es, den Einfluss der Nanogeometrie und Laserpulsform auf die plasmonischen Eigenschaften experimentell und theoretisch zu bestimmen. Dieses Wissen könnte es ermöglichen, mit Hilfe einer geeigneten Probenstruktur und ultrakurzen, phasenstabilisierten Laserpulsen den zeitlichen Verlauf der plasmonischen Nahfelder exakt zu kontrollieren. Zum experimentellen Nachweis dieser Eigenschaften wird ein zeitaufgelöstes Photoelektronenemissionsmikroskop entwickelt.
Abschlussbericht
Die Bewegung von Elektronen auf atomarer Skala bestimmt nicht nur die fundamentalen Prozesse unseres täglichen Lebens, sondern ist auch ein Schlüssel zu neuen Technologien in den Informationswissenschaften, der Industrie sowie der Medizin. Ultraschnelle Kommunikation ist durch optische Fasernetzwerke dominiert, für deren Entwicklung Charles Kao 2009 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Das Kodieren und Dekodieren der übertragenen Information beruht allerdings noch auf der Umwandlung der photonenbasierten Kommunikation in konventionelle Elektronik und umgekehrt. Plasmonische Schaltkreise können erstmals helfen, diese Schwäche zu beheben und rein optische Kommunikation und Informationsverarbeitung ermöglichen, welche um viele Größenordnungen schneller sein und bis in den Petahertz Bereich reichen kann.
Geschwindigkeiten im Petahertz Bereich können erreicht werden, wenn Elektronen durch gut kontrollierte optische Lichtfelder angetrieben werden. Neueste Entwicklungen in der Attosekunden-Physik haben die Erzeugung solcher (starker) Lichtfelder ermöglicht, deren Spektren mehr als eine Oktave breit sind und deren Pulse nahezu einen einzigen Wellenzyklus kurz sind.
Um derartige Lichtfelder für die Kontrolle der Elektronenbewegung in nanostrukturierten Oberflächensystemen nutzen zu können, haben wir die Dynamik der Elektronen in einem starken Feld theoretisch untersucht. Insbesondere haben wir die Metallisierung von nanometerdicken dielektischen Filmen studiert [1]. Die Metallisierung führt dazu, dass die optischen Eigenschaften der dielektrischen Filme denen plasmonischer Metalle ähnlich werden (dies ist mit einer starken Absorption und negativer Permittivität bei optischen Frequenzen verbunden). Die Art wie sich die Metallisierung manifestiert, hängt davon ab, wie das externe Feld auf die Nanostruktur wirkt. Bei einer Anregung durch Felder mit optischen Frequenzen oder Frequenzen im Terahertz Bereich verursacht die Metallisierung sehr hohe Permittivitätswerte und damit auch plasmonisches Verhalten. Das führt insbesondere dazu, dass durch Abschirmung der externen Felder die internen Felder auf die Metallisierungsfeldstärke beschränkt bleiben. In diesem Fall ist der Metallisierungseffekt vollständig reversibel. Der Effekt öffnet das Gebiet der Nanoplasmonik in Richtung einer Vielzahl neuer dielektrischer und halbleitender Nanosysteme mit unzähligen neuen möglichen Phänomenen. Unter den möglichen Anwendungen ist auch ein ultraschneller Feldeffekttransistor, in dem ein IR oder optischer Femtosekundenpuls ein dielektrisches Gate kontrolliert.
1. M. Durach, A. Rusina, M. F. Kling, and M. I. Stockman, Metallization of Nanofilms in Strong Adiabatic Electric Fields, Phys. Rev. Lett. 105, 086803-1-4 (2010).