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

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 19.-21. März 2024

Ort: Stuttgart (D)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 20.-21. März 2024

Ort: Berlin (D)

embedded world

Als internationale Weltleitmesse mit dem ausschließlichen Fokus auf Embedded-Technologien.

Datum: 09.-11. April 2024

Ort: Nürnberg (D)

Tube

Weltweit wichtigste Messe der Rohr- und rohrverarbeitenden Industrie

Datum: 15.-19. April 2024

Ort: Düsseldorf (D)

wire Düsseldorf

Weltmarktführer und First Mover der Draht- und Kabelindustrie präsentieren ihre Innovationen in Maschinen, Anlagen und smarter Fertigung. Erleben Sie Innovationen.

Datum: 15.-19. April 2024

Ort: Düsseldorf (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 16.-19. April 2024

Ort: Moutier (CH)

Hannover Messe

Transfoming Industry Togheter

Datum: 22.-26. April 2024

Ort: Hannover (D)

Control

Internationale Fachmesse für Qualitätssicherung

Datum: 23.-26. April 2024

Ort: Stuttgart (D)

IFAT

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

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

Opatec

Internationale Fachmesse für optische Technologien, Komponenten und Systeme

Datum: 14.-16. Mai 2024

Ort: Frankfurt (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai-07.Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

CastForge

Fachmesse für Guss- und Schmiedeteile mit Bearbeitung

Datum: 04.-06. Juni 2024

Ort: Stuttgart (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Zürich (CH)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 11 – 14 Juni 2024

Ort: Genf (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 10.-14. Juni 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 11.-13. Juni 2024

Ort: Nürnberg (D)

MedtecLIVE with T4M

Fachmesse für die gesamte Wertschöpfungskette der Medizintechnik

Datum: 18.-20. Juni 2024

Ort: Stuttgart (D)

Stanztec

Fachmesse Stanztechnik

Datum: 25.-27. Juni 2024

Ort: Pforzheim (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

IFA Berlin

Weltleitmesse für Unterhaltungselektronik und Haushaltsgeräte

Datum: 06.-10. September 2024

Ort: Berlin (D)

AMB

Internationale Ausstellung für Metallbearbeitung

Datum: 10.-14. September 2024

Ort: Stuttgart (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 24.-26. September 2024

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Europas führende Plattform für Forschung und Innovationskraft

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Jena (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 18.-19. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

parts2clean

Internationale Leitmesse für industrielle Teile- und Oberflächenreinigung

Datum: 24. - 26. September 2024

Ort: Stuttgart (D)

IN.STAND

Die Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 08.-09. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

Chillventa

Weltleitmesse der Kältetechnik

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Nürnberg (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

Motek

Internationale Fachmesse für Produktions- und Montageautomatisierung

Datum: 8.-11. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

Bondexpo

Internationale Fachmesse für Klebetechnologie

Datum: 8.-11. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

EuroBLECH

International Technologiemesse für Blechbearbeitung

Datum: 22.-25. Oktober 2024

Ort: Hannover (D)

ALL4PACK EMBALLAGE

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 04.-07. November 2024

Ort: Paris (F)

formnext

Fachmesse für Additive Manufacturing und die nächste Generation der intelligenten industriellen Produktion

Datum: 09.-11. November 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

Medica

Die Weltleitmesse der Medizinbranche

Datum: 11.-14. November 2023

Ort: Düsseldorf (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

BrauBeviale

Europäische Fachmesse für die Getränkewirtschaft

Datum: 26.-28. November 2024

Ort: Nürnberg (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 03.-05. Dezember 2024

Ort: Düsseldorf (D)

Hardware

Schweizer Fachmesse für Werkzeuge und Eisenwaren

Datum: 12.-14. Januar 2025

Ort: Luzern (CH)

BAUMAG Baumaschinen Messe

Schweizer Fachmesse für Baumaschinen, Baugeräte und Werkzeuge

Datum: 23.-26. Januar 2025

Ort: Luzern (CH)

Innoteq

Schweizer Fachmesse der Fertigungsindustrie

Datum: 11.-14. März 2025

Ort: Bern (CH)

intec

Internationale Fachmesse für Werkzeugmaschinen, Fertigungs- und Automatisierungstechnik

Datum: 11.-14. März 2025

Ort: Leipzig (D)

GrindTec

Internationale Fachmesse für Werkzeugbearbeitung und Werkzeugschleifen

Datum: 11.-14. März 2025

Ort: Leipzig (D)

Zuliefermesse Z

Internationale Zuliefermesse für Teile, Komponenten, Module und Technologien

Datum: 11.-14. März 2025

Ort: Leipzig (D)

CCE International

Europas wichtigster Branchenevent für die Wellpappen- und Faltschachtelindustrie.

Datum: 11.-13. März 2025

Ort: München (D)

ISH

Weltleitmesse für Wärme, Wasser und Luft

Datum: 17.-21. März 2025

Ort: Frankfurt am Main (D)

Fastener Fair

Internationale Fachmesse für die Verbindungs- und Befestigungsbranche

Datum: 25.-27. März 2025

Ort: Stuttgart (D)

IFFA

Internationale Leitmesse – Technology for Meat and Alternative Proteins

Datum: 03.-08. Mai 2025

Ort: Frankfurt (D)

Moulding Expo

Internationale Fachmesse Werkzeug-, Modell- und Formenbau

Datum: 20.-23 Mai 2025

Ort: Stuttgart (D)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 20.-22. Mai 2025

Ort: Hannover (D)

Automatica

Die Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 02.-04. September 2025

Ort: Bern (CH)

Schweissen & Schneiden

Die Schweissen & Schneiden ist die Weltleitmesse für Fügen, Trennen und Beschichten.

Datum: 15.– 19. September 2025

Ort: Essen (D)

Swiss Medtech Expo

Fachmesse und Symposium: Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 16. - 17. September 2025

Ort: Luzern (CH)

Oils + fats

Leitmesse der Öl- und Fettindustrie in Europa.

Datum: 15.-19. September 2025

Ort: München (D)

Drinktec Deutschland

Auf der Weltleitmesse der Getränke- und Liquid-Food-Industrie

Datum: 15.-19. September 2025

Ort: München (D)

AM Expo

Fachmesse und Symposium: Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 16.-17. September 2025

Ort: Luzern (CH)

EMO Hannover

Weltleitmesse für Werkzeugmaschinen und Metallbearbeitung

Datum: 22.-27. September 2025

Ort: Hannover (D)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 23. - 25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

10. Schweisstec

Internationale Fachmesse für Fügetechnologie

Datum: 21.-24. Oktober 2025

Ort: Stuttgart (D)

A + A

Messe und Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

productonica

Weltleitmesse für Entwicklung und Fertigung von Elektronik

Datum: 18.-21. November 2025

Ort: München (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement.

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Die Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26. - 27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Swiss Plastics Expo

Schweizer Fachmesse Kunststoffindustrie

Datum: 20.-22. Januar 2026

Ort: Luzern (CH)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

GIFA

International Giesserei-Fachmesse mit Technical Forum

Datum: 21.-25. Juni 2027

Ort: Düsseldorf (D)

NEWCAST

Internationale Fachmesse für Gussprodukte mit Newcast Forum

Datum: 21.-25. Juni 2027

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis