Nanoplasmonen im mittleren Infrarot

Oberflächenplasmonen sind Lichtwellen, die sich an einer Grenzschicht zwischen einem Metall und einem Dielektrikum, z.B. Gold und Luft, ausbreiten. Die Interaktion zwischen den elektromagnetischen Wellen und der kollektiven Oszillation von Elektronen im Metall birgt interessante Effekte, die mit anderen Methoden nur schwer oder gar nicht realisierbar sind. Beispielsweise können Plamonen mit metallischen Nanostrukturen auf engstem Raum komprimiert und damit lokal extrem hohe Feldstärken erzeugt werden. Im mittleren Infrarot eignen sich solche plasmonischen Strukturen perfekt für zukünftige Nanosensoren zur Analyse chemischer und biologischer Stoffe. Plasmonische Strukturen haben im Sichtbaren und nahen Infrarot bereits mehrere wichtige Probleme für die chemische Sensorik und Bildgebung gelöst. Dieses Wissen kann auf Grund der fundamental unterschiedlichen Materialeigenschaften von Metallen jedoch nicht direkt in den mittleren Infrarotbereich transferiert werden. Dort sind Plasmonen auf Metalloberflächen nur schlecht gebunden. Damit Plasmonen im mittleren Infrarot besser genutzt werden können, sind spezielle Methoden notwendig, um das Licht besser an der Grenzfläche zu komprimieren und damit die Wellenführung zu verbessern. In unserer vorhergehenden Forschungstätigkeit haben wir eine Methode präsentiert, die mit einer zusätzliche dielektrischen Schicht auf dem Metall genau das erreichen kann. Ziel dieses Projektes ist es eine breite Wissensbasis über diese sogenannten dielektrisch-beladenen, sowie nanofokusierenden plasmonischen Strukturen im mittleren Infrarot für integrierte Optik zu schaffen. In verschiedenen Experimenten werden wir die Plasmonenausbreitung untersuchen und mit geeigneten Simulationsmodellen vergleichen. Die plasmonischen Strukturen werden dazu im Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen an der TU Wien gefertigt und mittels Nahfeldspektroskopie analysiert. Das Projekt beinhaltet die Untersuchung von plasmonischen Wellenleitern, Wellenleiterkoppler und Interferometern für integrierte Optik. In einer Erweiterung dieses Konzepts werden wir die Interaktion zwischen laufenden und lokalisierten Plasmonen für Metamaterial-Linsen untersuchen. Mit plasmonischen Nanoantennen unterschiedlicher Länge kann die Phasenfront des abgestrahlten Lichts beliebig eingestellt werden. Damit lassen sich optische Linsen mit sehr hoher numerischer Apertur realisieren. Weiters untersuchen wir plasmonische Strukturen zur Nanofokussierung. Das Ziel ist, das emittierte Licht eines Laser direkt auf dem selben Chip unter das klassische Beugungslimit zu fokussieren und damit extrem hohe Lichtintensitäten zu erreichen. Diese eignen sich beispielsweise zur Untersuchung von Licht-Materie-Wechselwirkungen nichtlinearer oder niederdimensionaler Strukturen.

Eine monolithische Sensor-Plattform, um Laser, Detektoren, plasmonische Wellenleiter und Frequenzkämmen zu integrieren, könnte enorme Auswirkungen auf unseren Alltag haben. Miniaturisierte und tragbare Geräte, die Daten zur Luftverschmutzung, Infektionen einzelner Pflanzen auf einem Feld oder unseren aktuellen physiologischen Zustand erfassen, könnten eine Vielzahl neuer Möglichkeiten eröffnen. Dieses FWF-Projekt ermöglichte mehrere wichtige Schritte in Richtung dieses Ziels, die zu einem tiefen Verständnis der grundlegenden physikalischen Prinzipien von plasmonischen Wellenleitern, nanoplasmonischen Strukturen, sowie der Bildung von Frequenzkämmen mit Lasern sowohl experimentell als auch aus theoretischer Sicht führten. Ein Frequenzkamm ist eine Form von Licht, die von einer Laserquelle mit einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen ausgesandt wird, die wie die Zähne eines Kamms im gleichen Abstand voneinander getrennt sind. Die Nutzung dieses Konzepts für die Detektion von Gasen im mittleren Infrarot ermöglicht es, nicht nur eine Molekülart zu detektieren, wie dies bei derzeit überwiegend vorherrschenden Techniken der Fall ist, sondern mehrere gleichzeitig. Verschiedene Moleküle können nämlich durch Analyse der für jedes Molekül charakteristischen Absorptionsfrequenz unterschieden werden. Die Halbleitermaterialsysteme, mit denen wir diese Frequenzkämme bauen - Quantenkaskadenlaser und Interbandkaskadenlaser - ermöglichen es uns eine ganze spektroskopische Messplattform auf einem einzigen Chip aufzubauen. Darauf können dann die Erzeugung, Führung und Detektion des Lichts erfolgen. Diese monolithische Integration reduziert die Größe drastisch, und ermöglicht dadurch die Realisierung von tragbaren, möglicherweise batteriebetriebenen Sensoren. Wesentlich für die Realisierung derartiger Sensoren ist die Entwicklung und das Verständnis von Techniken zur Stabilisierung der hergestellten Frequenzkämme während des Betriebs gegenüber verschiedenen unerwünschten Einflüssen, wie Temperaturänderungen im Material oder zurückgestreutem Licht. Die Wechselwirkung zwischen den Zähnen des Kammes kann in Analogie zu gekoppelten Pendeln beschrieben werden. Ausgehend vom einfachsten Fall zweier Pendel, können die Pendel entweder in Phase, also gleichzeitig in die gleiche Richtung, oder in Anti-Phase, in entgegengesetzte Richtungen schwingen. Dieses Konzept lässt sich dann auf eine größere Anzahl von Oszillatoren erweitern und ist tatsächlich eine adäquate Beschreibung für unsere Halbleiter-Frequenzkämme, wie wir sowohl experimentell als auch theoretisch bestätigt haben. Durch das Anlegen von hochfrequentem Wechselstrom, der der natürlichen Frequenz des optischen Frequenzkammes entspricht, können wir den Kamm effektiv stabilisieren. Indem wir den modulierten Stromanteil erhöhen, können wir den Kamm zwingen, mehr Zähne bei unterschiedlichen Frequenzen auszubilden. Dadurch wird die Detektion von weiteren chemischen Stoffen ermöglicht, wenn wir unsere gewonnenen Erkenntnisse auf die Gassensorik übertragen.