22.12.2020

Frequenzkonversion mit Graphen

Einzelne Graphenlage in Heterostruktur reicht zur Ausbildung von Plasmonen.

Eine breite Palette von Technologien – von Lasern und optischer Telekommunikation bis hin zu Quantencomputern – beruht auf nichtlinearen optischen Wechselwirkungen. Typischerweise werden diese Wechselwirkungen, die es beispielsweise einem Lichtstrahl erlauben seine Frequenz zu ändern, durch Volumen­material realisiert. In einer neuen Studie hat nun ein Forscherteam 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 nun veröffentlichten Ergebnisse stellen eine neue Familie ultrakleiner regelbarer nichtlinearer Bauelemente in Aussicht.

 

Abb.: Künstlerische Darstellung der Licht­erzeugung unter Verwendung einer...
Abb.: Künstlerische Darstellung der Licht­erzeugung unter Verwendung einer Hetero­struktur aus Graphen und einem Metall. (Bild: T. Rögelsperger, U. Wien)

In den letzten Jahren entwickelten Wissenschafter plasmonische Bauelemente, mit denen Licht manipuliert und durch nanometerkleine Strukturen 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 die Forscher 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 Forscherteam 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 Hetero­strukturen aus atomar dünnen Materialien, 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 Frequenzkonversion Licht verschiedener Frequenz. 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, 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.

U. Wien / DE

 

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