Quantentoolbox für die Nanophotonik

Die Nanooptik beschäftigt sich mit dem Verhalten von Licht auf der Nanometerskala. Aufgrund der Abbeschen Beugungsgrenze ist es jedoch unmöglich, Licht im freien Raum in Bereiche zu quetschen, die deutlich kleiner als die Lichtwellenlänge sind (das sind einige hundert Nanometer). In der Nanooptik koppelt man Licht daher an metallische und dielektrische Nanopartikel, um diese anzuregen und in Folge die Beugungsgrenze zu umgehen und Licht in sub-Wellenlänge-Dimensionen zu lokalisieren. Dies erlaubt eine Vielzahl von Anwendungen in der Sensorik, Photovoltaik oder der optischen Datenübertragung. Ziel dieses Projekts ist es, quantenmechanische Effekte in der Beschreibung der Nanooptik zu berücksichtigen. Dazu soll eine Simulations-Toolbox entwickelt werden, die Nano- und Quantenoptik zusammenführt und eine flexible Plattform für zukünftige Untersuchungen liefern soll. Die im Rahmen des Projekts entwickelte Software wird frei zur Verfügung gestellt werden. Einerseits werden wir Zugänge entwickeln, um Nanooptik auf der Photonenebene zu beschreiben und Nano- und Quantenoptik stärker zusammenzuführen. Konzeptionell stellen sich dabei eine Reihe von Schwierigkeiten, die mit Verlusten (beispielsweise ohmscher Wärme) in den Nanopartikeln verbunden sind und eine direkte Quantisierung der Lichtfelder verunmöglichen. In der Anfangsphase des Projekts wollen wir daher unterschiedliche Zugänge ausprobieren, die in der aktuellen Literatur vorgeschlagen wurden, und die auf Resonanzmodenzerlegungen oder effektiven Modellen beruhen. Die beste Vorgehensweise ist zu Projetbeginn derzeit noch unklar. Andererseits wollen wir auch quantenmechanische Effekte in der Beschreibung der Nanostrukturen untersuchen, die über geänderte Randbedingungen der Lichtfelder an den Materieoberflächen berücksichtigt werden. Der Zugang ist schon relativ alt, erste Arbeiten über die sogenannten Feibelman-Parameter reichen in die 1970er Jahre zurück, allerdings wurde der Zugang erst in den letzten Jahren zur Beschreibung von Nanostrukturen erweitert. In Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe in San Sebastian, die Feibelman-Parameter aus parameterfreien quantenmechanischen Simulationen für einfache Systeme berechnet, wollen wir diese benutzen und auch in Simulationen für realistische Nanopartikel einbauen.