Künstlerische Darstellung der Lichterzeugung unter Verwendung einer Heterostruktur aus Graphen und einem Metall. Foto: Thomas Rögelsperger, University of Vienna.

Weniger ist mehr: Eine einzige Lage von Atomen genügt, um Licht zu manipulieren

Publiziert

Strukturen, die um nur eine einzige Schicht von Graphen gebaut sind, ermöglichen starke optische Nichtlinearitäten.

Eine breite Palette von Technologien – von Lasern und optischer Telekommunikation bis hin zu Quantencomputern – beruht auf nichtlinearen optischen Wechselwirkungen. Typischerweise werden diese nichtlinearen Wechselwirkungen, die es beispielsweise einem Lichtstrahl erlauben seine Frequenz zu ändern, durch Volumenmaterial realisiert. In einer neuen Studie hat nun ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Wien gezeigt, dass auch Strukturen, die um nur eine einzige Schicht von Graphen gebaut sind, starke optische Nichtlinearitäten ermöglichen. Das Team erreichte dies, indem es nanometerkleine Goldbänder verwendete, um Licht in Form von Plasmonen in atomar dünnes Graphen zu quetschen. Die in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlichten Ergebnisse stellen eine neue Familie ultrakleiner regelbarer nichtlinearer Bauelemente in Aussicht.

In den letzten Jahren entwickelten Wissenschafter in gemeinsamen Bestrebungen plasmonische Bauelemente, mit denen Licht manipuliert und durch nanometerkleine Geräte übertragen werden kann. Das Ausnützen von Plasmonen, die im Material durch die Interaktion mit Licht entstehen, ermöglicht starke nichtlineare Wechselwirkungen, die eine maßgebliche Rolle in optischer Kommunikation spielen. Eine technologische Herausforderung von Metallplasmonen in den Bauelementen liegt in ihrer häufig sehr kurzen Lebensdauer, wodurch effektive optische Nichtlinearitäten begrenzt sind. In einer neuen Arbeit zeigen Forscher*innen jedoch, dass die Lebensdauer von Plasmonen in Graphen ausreichend lang ist, um eine starke Nichtlinearität zu erzeugen, mit der Lichtfrequenzen effizient manipuliert werden können.

In ihrem Experiment verwendete das Forschungsteam unter der Leitung von Philip Walther an der Universität Wien in Zusammenarbeit mit Forschern des Barcelona Institute of Photonic Sciences, der University of Southern Denmark, der University of Montpellier und des Massachusetts Institute of Technology Stapel atomar dünner Materialien, so genannte Heterostrukturen, um ein nichtlineares plasmonisches Element zu bauen. Sie nahmen eine einzelne Atomschicht von Graphen und lagerten darauf eine Anordnung von metallischen Nanobändern ab. Die Metallbänder verstärkten das einfallende Licht in der Graphenschicht und wandelten es in Graphenplasmonen um. Diese Plasmonen wurden dann unter den Goldnanobändern gefangen und erzeugten durch einen Prozess, der als Frequenzkonversion bekannt ist, Licht verschiedener Frequenz bzw. verschiedener Farben. Die Wissenschafter untersuchten das erzeugte Licht und zeigten, dass die nichtlineare Wechselwirkung zwischen den Graphenplasmonen entscheidend für die Beschreibung der Frequenzkonversion war. Irati Alonso Calafell, Hauptautorin der Veröffentlichung in Nature Nanotechnology, erläutert: „Wir haben gezeigt, dass die relativ einfachen Goldnanobänder gleichzeitig die Nichtlinearität von Graphen erhöhen und Graphenplasmonen anregen können".

Obwohl das Gebiet der Graphen-Plasmonik noch in seinen Anfängen steckt, sind die Forscher zuversichtlich, dass diese Ergebnisse genutzt werden könnten, um neue Physik in Graphen-Heterostrukturen zu erforschen und zu einer Vielzahl von Anwendungen zu führen. Lee Rozema, einer der am Projekt beteiligten Wissenschafter bringt es auf den Punkt: "Unser Team in Wien hat bereits früher vorgeschlagen, nichtlineare Wechselwirkungen, die durch Graphenplasmonen übermittelt werden, für Quanten-Computing zu nutzen. Jetzt haben wir experimentell bestätigt, dass diese Plasmonen tatsächlich nichtlinear wechselwirken können.“ Das Team plant, noch effizientere Graphen-Heterostrukturen weiter zu forcieren, indem es mit neuen Metallgeometrien experimentiert und verschiedene Arten von nichtlinearen Wechselwirkungen ausschöpft.

Originalveröffentlichung

EVENTS

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 27.-29. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 27.-29. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 28.-29. September 2022

Ort: Lausanne (CH)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 04.-06. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

IndustrieTag SüdWest

Total Production Day – Wir treffen uns, um zu gewinnen!

Datum: 06. Oktober 2022

Ort: Karlsruhe (D)

IN.STAND

Die Fachmesse für Instandhaltung und Services

Datum: 18.-19. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

Ifas

Fachmesse für Gesundheitsmarkt

Datum: 25.-27. Oktober 2022

Ort: Digital (CH)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

Datum: 15.-18. November 2022

Ort: München (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 15.-18. November 2022

Ort: München (D)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 21.-24. November 2022

Ort: Paris (F)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 23.-24. November 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 29. November-01. Dezember 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 25.-26. Januar 2023

Ort: Zürich (CH)

LOGISTICS & AUTOMATION

Schweizer Fachmesse für Logistik und Transport

Datum: 25.-26. Januar 2023

Ort: Zürich (CH)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 14.-16. Februar 2023

Ort: Köln (D)

Global Industrie

Midest - smart Industries - Industrie - Tolexpo - die weltweit grössten Fachmessen für die Industriezulieferwirtschaft

Datum: 07.-10. März 2023

Ort: Lyon (F)

ZHAW-IFM Day

Der IFM-Day der ZHAW findet als Begegnungstag für FM-Ausbildung und FM-Praxis statt.

Datum: 10. März 2023

Ort: Wädenswil (CH)

Hannover Messe

TRANSFORMING INDUSTRY TOGETHER

Datum: 17.-21. April 2023

Ort: Hannover (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 25.-27. April 2023

Ort: Stuttgart (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04.-10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 09.-11. Mai 2023

Ort: Nürnberg (D)

LABVOLUTION

Als europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows bildet die LABVOLUTION das gesamte Spektrum der Laborwelt ab und zeigt neue Wege für Anwenderbranchen auf.

Datum: 09.-11. Mai 2023

Ort: Messegelände Hannover (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 27.-30. Juni 2023

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 05.-07. September 2023

Ort: Bern (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 26.-28. September 2023

Ort: Basel (CH)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 24.-27. Oktober 2023

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

Swissbau

Die führende Plattform der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz.

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Swisstech

Internationale Fachmesse für Werkstoffe, Komponenten und Systembau

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 16.-19. April 2024

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führenden Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai - 07. Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Bern (CH)

Bezugsquellenverzeichnis