Untersuchung der Kopplung dielektrischer und plasmonischer Resonanzen an optischen Metamaterialien in Wellenleitergeometrien
Final Report Abstract
Die Aufgabenstellung des Projektes war die Untersuchung von optischen Metamaterialien in Wellenleitergeometrien und die Erforschung ihrer Physik und Anwendungspotenziale. Metamaterialien wurden bis dato nur als dünner Film realisiert welcher von einer externen Quelle beleuchtet wird. In den Reflexions- und Transmissionseigenschaften dieser Quelle manifestierten sich die besonderen Eigenschaften der Metamaterialien. In dem Projekt sollten nun durch Verwendung einer Wellenleitergeometrie zur Anregung von Resonanzen neue Effekte und Anwendungsbereiche für die Nanostrukturen erforscht werden. Im Rahmen des Projektes wurden an der Friedrich-Schiller-Universität Jena zuerst die numerischen Möglichkeiten geschaffen, die vorliegenden Aufgabenstellungen umfassend hinsichtlich der relevanten elektromagnetischen Zustände und Prozesse simulieren und untersuchen zu können. Es zeigte sich, dass eine effiziente Anregung von plasmonischen Resonanzen in den Nanopartikeln möglich ist, wenn der Brechungsindex des anregenden Wellenleiters einen hohen Kontrast zur Umgebung aufweist. Dadurch werden die lichtführenden Schichten sehr dünn (wenige hundert Nanometer). Ein solches System wurde durch plasmagestützte Abscheidung von Siliziumnitrid und nachfolgender elektronenstrahllithografischer Erzeugung von Gold-Nanostrukturen realisiert. Die Anregung der Nanostrukturen kann hier im Gegensatz zum Freiraum auch durch die elektrische Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung erfolgen. Dies ergibt in Ergänzung zu bekannten Dünnfilm-Metamaterialien neue Möglichkeiten, resonante Strukturen mit verschiedenen Funktionalitäten zu entwerfen. Besonders interessant war in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, die resonanten elektromagnetischen Felder der Nanopartikel durch den Wellenleiter miteinander in Ausbreitungsrichtung zu koppeln, da solche Kopplungszustände im Allgemeinen zu neuartigen physikalischen Effekten führen. So komplex die Struktur jedoch ist – es ist unbedingt notwendig, dass einfache Kenngrößen gefunden werden können, die das Verhalten der Struktur richtig beschreiben. So ist es im Rahmen des Projektes gelungen, die Erkenntnisse über solche „effektiven Parameter“ entscheidend voranzubringen, was vor allem für den vielzitierten „negativen Brechungsindex“ von Metamaterialien von Bedeutung ist. Für das gekoppelte System Nanopartikel-Wellenleiter ist es gelungen, eine analytische Formel für die Impedanz des Systems herzuleiten. Damit ist es nun möglich, Systeme aus komplexen wellenleitenden Strukturen in der Optik genauso zu behandeln, wie dies für homogene optische Multischichtsysteme möglich ist. Das Verhalten des Lichtes in den gekoppelten Strukturen zeigt Eigenschaften, welche stark von der Periodizität und Geometrie der Nanostrukturen abhängen, die in anderen Systemen nur schwer oder nicht zu erreichen sind. Ein Beispiel stellt die Realisierung einer negativen Gruppengeschwindigkeit dar. Die gewonnenen Erkenntnisse sind als Grundlagenforschung zu verstehen. Dennoch zeigen sich in ersten Folgeuntersuchungen bereits vielversprechende Ansätze für eine Anwendung, etwa bei der Dispersionskontrolle in optischen Telekommunikationsnetzwerken oder beim Ausnutzen der stark lokalisierten resonanten Felder für die Bioanalytik.
Publications
- “Closed-form expression for the scattering coefficients at an interface between two periodic media”. Applied Physics Letters 98, 111107, (2011)
Wojciech Smigaj, P. Lalanne, J. Yang, T. Paul, C. Rockstuhl, F. Lederer
- “Effective properties of metamaterials”. Proc. SPIE 8104, 81040E, (2011)
Carsten Rockstuhl, Christoph Menzel, Thomas Paul, Ekaterina Pshenay- Severin, Matthias Falkner, Christian Helgert, Arkadi Chipouline, Thomas Pertsch, Wojcek Smigaj, Jinji Yang, Philippe Lalanne, and Falk Lederer
- “Metamaterials in Waveguide Geometries”. CLEO/Europe and European Quantum Electronics Conference 2011 (OSA), EJ_P3. (2011)
Thomas Kaiser, Christian Helgert, Thomas Paul, Rainer Wolf, Carsten Rockstuhl, Falk Lederer, Thomas Pertsch
- “Reflection and transmission of light at periodic layered metamaterial films”. Physical Review B 84, 115142, (2011)
Thomas Paul, Christoph Menzel, Wojciech Smigaj, Carsten Rockstuhl, Philippe Lalanne, Falk Lederer
- “Resonant coupling of dielectric waveguides with plasmonic metaatoms”. Proc. SPIE 8093, 809322, (2011)
Thomas Kaiser, Christian Helgert, Thomas Paul, Shakeeb Bin Hasan, Falk Lederer, Carsten Rockstuhl, and Thomas Pertsch
- “3D THz metamaterials from micro/nanomanufacturing”. Laser & Photonics Reviews 6, 219, (2012)
Herbert O. Moser and Carsten Rockstuhl
- Highly resonant and directional optical nanoantennas”, Journal of the Optical Society of America A 31, 388-393, (2013)
Jing Qi, Thomas Kaiser, Ralf Peuker, Thomas Pertsch, Falk Lederer, Carsten Rockstuhl
- “Impedance generalization for plasmonic waveguides beyond the lumped circuit model”. Physical Review B 88, 035117, (2013)
Thomas Kaiser, Shakeeb Bin Hasan, Thomas Paul, Thomas Pertsch, and Carsten Rockstuhl
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.035117) - “Plasmonic nanoparticle interaction in hybrid plasmonic-dielectric waveguides”. CLEO: 2013, OSA Technical Digest, QW3N.3, (2013)
Thomas Kaiser, Séverine Diziain, Christian Helgert, Carsten Rockstuhl, and Thomas Pertsch
