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

A + A

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

Datum: 26. - 29. Oktober 2021

Ort: Düsseldorf (D)

Medica

Die Weltleitmesse der Medizinbranche

Datum: 15. - 18. November 2021

Ort: Düsseldorf (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 16. - 19. November 2021

Ort: München (D)

productonica

Innovation all along the line

Datum: 16. - 19. November 2021

Ort: München (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 17. - 18. November 2021

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 17. - 18. November 2021

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 17. - 18. November 2021

Ort: Zürich (CH)

SPS IPC Drives

Europas führende Fachmesse für elektrische Automatisierung

Datum: 23. - 25. November 2021

Ort: Nürnberg (D)

BAUMAG Baumaschinen Messe

Schweizer Fachmesse für Baumaschinen, Baugeräte und Werkzeuge

Datum: 13. - 16. Januar 2022

Ort: Luzern (CH)

Swissbau

Die führende Fachmesse der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz Sicherheits-Kongress 2020 parallel zur Swissbau - Praxisnahe Sicherheitsinformationen als Weiterbildung.

Datum: 18. - 21. Januar 2022

Ort: Basel (CH)

NORTEC

Fachmesse für Produktionstechnik und Maschinenbau

Datum: 25. - 28. Januar 2022

Ort: Hamburg (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 26. - 27. Januar 2022

Ort: Bern Expo (CH)

aqua pro gaz

DIE SCHWEIZER MESSE DER TRINKWASSER-, ABWASSER- UND GASFACHLEUTES

Datum: 09. - 11. Februar 2022

Ort: Bulle (CH)

Ble.ch

Fachmesse für Metall- und Stahlbearbeitung

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Bern (CH)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Stuttgart (D)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Köln (D)

embedded world

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

Datum: 15. - 17. März 2022

Ort: Nürnberg (D)

Swiss Plastics Expo

Schweizer Fachmesse Kunststoffindustrie

Datum: 15. - 17. März 2022

Ort: Luzern (CH)

LOPEC

International führende Fachmesse mit Kongress für Gedruckte Elektronik

Datum: 22. - 24. März 2022

Ort: München (D)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 04. - 08. April 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 05. - 08. April 2022

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

Hannover Messe

Heimat der Industriepioniere Jetzt mehr denn je

Datum: 25. - 29. April 2022

Ort: Hannover (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 26. - 29. April 2022

Ort: München (D)

Control

Internationale Fachmesse für Qualitätssicherung

Datum: 03. - 06. Mai 2022

Ort: Stuttgart (D)

MedTech Summit

Kongress technologie- und marktrelevanten Themen aus der Medizintechnik- und Gesundheitsbranche

Datum: 03. - 05. Mai 2022

Ort: Online (D)

MedtecLIVE with T4M

ein Joint Venture der MT-CONNECT und Medtec Europe und TM4

Datum: 03. - 05. Mai 2022

Ort: Stuttgart/Nürnberg (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 10. - 12. Mai 2022

Ort: Online (D)

Tube

Weltweit wichtigste Messe der Rohr- und rohrverarbeitenden Industrie

Datum: 09. - 13. Mai 2022

Ort: Düsseldorf (D)

IFFA

Internationale Leitmesse – Technology for Meat and Alternative Proteins

Datum: 14. - 19. Mai 2022

Ort: Frankfurt (D)

IFAT

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

Datum: 30. Mai - 03. Juni 2022

Ort: München (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 01. - 02. Juni 2022

Ort: Bern (CH)

CastForge

Fachmesse für Guss- und Schmiedeteile mit Bearbeitung

Datum: 21. - 23. Juni 2022

Ort: Stuttgart (D)

Automatica

Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 21. -24. Juni 2022

Ort: München (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 30. August - 01. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

Drinktec Deutschland

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

Datum: 12. - 16. September 2022

Ort: München (D)

AMB

Internationale Ausstellung für Metallbearbeitung

Datum: 13. - 17. September 2022

Ort: Stuttgart (D)

Chillventa

Fachmesse für Energieeffizienz

Datum: 11. - 13. Oktober 2022

Ort: Nürnberg (D)

BrauBeviale

Europäische Fachmesse für die Getränkewirtschaft

Datum: 08. - 10. November 2022

Ort: Nürnberg (D)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

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)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 29. November - 01. Dezember 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Hardware

Schweizer Fachmesse für Werkzeuge und Eisenwaren

Datum: 15. - 17. Januar 2023

Ort: Luzern (CH)

InTEC

Internationale Fachmesse für Werkzeugmaschinen, Fertigungs- und Automatisierungstechnik

Datum: 07. - 10. März 2023

Ort: Leipzig (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04. - 10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

Moulding Expo

Internationale Fachmesse Werkzeug-, Modell- und Formenbau

Datum: 13. - 16. Juni 2023

Ort: Stuttgart (D)

NEWCAST

Internationale Fachmesse für Gussprodukte mit Newcast Forum

Datum: 12. - 16. Juni 2023

Ort: Düsseldorf (D)

Mefa

Fachmesse für Fleischwirtschaft und Lebensmittelproduktion

Datum: November 2023

Ort: Basel (CH)

Bezugsquellenverzeichnis