Ein internationales Wissenschaftlerteam hat THz-Wellen abgebildet und analysiert, die sich in Form von Plasmonen-Polaritonen entlang dünner anisotroper Halbleiterplättchen mit bis zu 65-fach reduzierter Wellenlänge im Vergleich zu THz-Wellen im freien Raum ausbreiten.
Noch faszinierender ist, dass die Wellenlängen mit der Ausbreitungsrichtung variieren. Solche THz-Wellen können zur Untersuchung grundlegender Materialeigenschaften im Nanometerbereich eingesetzt werden und ebnen den Weg für die Entwicklung ultrakompakter THz-Geräte auf dem Chip. Die Arbeit ist erschienen in Naturmaterialien.
Polaritonen sind hybride Zustände von Licht und Materie, die durch die Kopplung von Licht- mit Materieanregungen entstehen. Plasmon- und Phonon-Polaritonen gehören zu den prominentesten Beispielen, die durch die Kopplung von Licht an kollektive Elektronenschwingungen bzw. Kristallgitterschwingungen entstehen.
Sie spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungen, von der optischen Spektroskopie unter Beugung und ultraempfindlichen chemischen Sensoren bis hin zu ultrakompakten Modulatoren für Kommunikationsanwendungen. In dünnen Schichten können sich Polaritonen mit Wellenlängen ausbreiten, die bis zu 100-mal kürzer sind als die entsprechende Photonenwellenlänge, was eine Manipulation von Licht in einem viel kleineren Maßstab ermöglicht, als dies bisher mit herkömmlichen photonischen Geräten möglich war.
Während die meisten dieser ultrabegrenzten Polaritonen in Form von Phononen-Polaritonen im mittleren Infrarot-Spektralbereich beobachtet wurden, konzentrierten sich die Forscher auf Plasmonen-Polaritonen, da diese in viel breiteren Spektralbereichen existieren können. „Andererseits leiden Plasmonen-Polaritonen oft unter starker Dämpfung, was zu kurzen Ausbreitungslängen führt. Dies hat die Beobachtung ultrabegrenzter Plasmonen-Polaritonen im realen Raum erschwert“, sagt Shu Chen, Erstautor der Veröffentlichung.
Mit einem THz-Nanoskop (genauer gesagt, einem optischen Nahfeld-Rastermikroskop vom Typ THz-Streuung, s-SNOM) im Labor von Rainer Hillenbrand am CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanien) untersuchte Chen dünne Plättchen des Kristalls mit niedriger Symmetrie Silbertellurid (Ag2Te; Hessit) und gewannen die ersten Realraumbilder von THz-Plasmon-Polaritonen, deren Wellenlängen bis zu 65-fach kleiner als die Photonenwellenlänge sind und mit der Ausbreitungsrichtung variieren.
„Silbertellurid ist ein Halbleiter mit schmaler Bandlücke und einer relativ hohen Konzentration an beweglichen Elektronen, was dieses Material bei THz-Frequenzen plasmonisch macht“, sagt Pengliang Leng, ebenfalls beitragender Erstautor, der die Plättchen im Labor von Faxian Xius an der Fudan-Universität (Shanghai) herstellte , China). „Aufgrund der monoklinen Kristallstruktur mit niedriger Symmetrie ist die effektive Elektronenmasse entlang der Plättchenoberfläche stark anisotrop, was die anisotrope Plasmon-Polariton-Ausbreitung erklärt“, fügt Faxian Xiu hinzu.
Die Forscher zeigten auch, dass die relativen Ausbreitungslängen der THz-Polaritonen deutlich erhöht werden können, indem sie mit ihrem Spiegelbild in einem benachbarten Metallsubstrat gekoppelt werden. „Durch diese Kopplung entstehen sogenannte akustische Plasmonen-Polaritonen“, erklärt Andrea Konečná von der Universität Brünn (Tschechische Republik), die die akustischen Polaritonen theoretisch modelliert hat.
„Am wichtigsten ist, dass die Anisotropie der Polariton-Ausbreitung qualitativ erhalten bleibt und die langen relativen Ausbreitungslängen es uns ermöglichten, eindeutig zu verifizieren, dass sich die Polaritonen mit elliptischen Wellenfronten ausbreiten“, fügt Rainer Hillenbrand von nanoGUNE hinzu, der die Arbeit leitete.
Die langen relativen Ausbreitungslängen der elliptischen akustischen Plasmon-Polaritonen ermöglichten es den Forschern schließlich, die anisotrope effektive Elektronenmasse in der Ebene zu bestimmen, wodurch eine einzigartige Methode zur Messung von gerichteten effektiven Trägermassen im Nanomaßstab bei Raumtemperatur etabliert wurde.
Über die Erforschung grundlegender Materialeigenschaften in konventionellen und neuartigen Quantenmaterialien hinaus können ultrabegrenzte anisotrope akustische Plasmonpolaritonen in der Ebene zu ultrakompakten THz-Anwendungen auf dem Chip führen. Die starke Feldkonzentration im Spalt zwischen der polaritonischen Schicht und der Metalloberfläche kann für feldverstärkte molekulare Sensorik oder zur Verstärkung der (ultra)starken THz-Licht-Materie-Kopplung mit Molekülen, klassischen 2D-Elektronengasen oder Quantenmaterialien genutzt werden.
Mehr Informationen:
S. Chen et al., Realraumbeobachtung von ultrabegrenzten anisotropen akustischen Terahertz-Plasmon-Polaritonen in der Ebene, Naturmaterialien (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01547-8