Wechselwirkung mikrostrukturierter metallischer Oberflächen mit elektromagnetischen Feldern im THz-Frequenzbereich
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war die Untersuchung plasmonen-optischer Effekte an mikrostrukturierten Metalloberflächen im THz-Frequenzbereich mit Hilfe von Simulation und Experiment. Aufgrund der begrenzten Projektlaufzeit haben wir uns dabei auf die Untersuchung insbesondere von Metamaterialstrukturen konzentriert. In diesen Systemen konnten wir sowohl das resonante Verhalten isolierter als auch sich in einem Array befindlicher Split-Ring-Resonatoren detailliert untersuchen. Insbesondere ermöglichte uns dabei die gezielte Weiterentwicklung eines bestehenden THz-Nahfeldmikroskopie Aufbaus erstmalig die zeit- und ortsaufgelöste Visualisierung der resonanten elektrischen und magnetischen Nahfelder an diesen Strukturen mit subwellenlängen-Auflösung. Durch die Kombination dieser neuen Form der Bildgebung mit FEM-basierten numerischen Simulationen konnten Kopplungseffekte zwischen den Resonatoren und deren zugrunde liegenden Mechanismen im Detail untersucht werden. Im Zuge des geförderten Projekts wurden bei uns folgende technologisch und methodischen Weiterentwicklungen durchgeführt, welche uns nun für zukünftige Studien zur Verfügung stehen: • Es wurden FEM-basierte 3-dimensionale Simulationen der Wechselwirkung resonanter Metallstrukturen mit elektromagnetischen Feldern im THz-Frequenzbereich bei uns etabliert. • Der bestehende THz-Nahfeldmikroskopie Aufbau wurde so erweitert, dass nun das elektrische Vektorfeld in der Probenebene zeitlich und räumlich aufgenommen werden kann (mit ps-zeitlicher und sub-Wellenlängen räumlicher Auflösung). • Es wurden zum Teil neuartige Fabrikationsverfahren für metallische Mikrostrukturen entwickelt (Inkjetprinting, 3D Wire-bonding) und damit hergestellte Strukturen erstmalig charakterisiert. In zukünftigen Projekten sollen mit Hilfe dieser Weiterentwicklungen insbesondere die Kopplung zwischen den resonanten Mikrostrukturen in Metamaterialien untersucht werden. Trotz der wichtigen Rolle, welche Kopplungseffekte zwischen den Untereinheiten eines Metamaterials für dessen optische Eigenschaften spielen, wird diese Wechselwirkung bisher weitgehend vernachlässigt. Ein eingehendes Verständnis der Kopplung in Metamaterialien und der daraus resultierenden Effekten eröffnet daher neuartige Möglichkeiten zur gezielten Entwicklung dieser künstlich strukturierten Systeme. Unsere THz Nahfeld-Mikroskopie ermöglicht uns nun die direkte Visualisierung der für die Kopplung verantwortlichen elektrischen und magnetischen lokalen Felder.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Terahertz near-field imaging of electric and magnetic resonances of a planar metamaterial, Opt. Express 17 (5), 3826 (2009)
A. Bitzer, H. Merbold, A. Thoman, T. Feurer, H. Helm, and M. Walther
- Spectral collapse in ensembles of metamolecules, Phys. Rev. Lett. 104, 223901 (2010)
V. A. Fedotov, N. Papasimakis, E. Plum, A. Bitzer, M. Walther, P. Kuo, D. P. Tsai, and N. I. Zheludev
