Die Wechselwirkung von Licht und Materie auf der Nanoskala ist ein wesentlicher Aspekt der Nanophotonik. Mit resonanten Nanosystemen können Wissenschaftler elektromagnetische Energie in Volumina steuern und verstärken, die kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts sind. Sie ermöglichen nicht nur eine wesentlich effektivere Einfangung des Sonnenlichts, sondern ermöglichen auch eine verbesserte optische Wellenleitung und Emissionskontrolle. Durch die starke Kopplung von Licht mit elektronischer Anregung in Festkörpermaterialien entstehen hybridisierte photonische und elektronische Zustände, sogenannte Polaritonen, die interessante Eigenschaften wie Bose-Einstein-Kondensation und Suprafluidität aufweisen können.
Eine neue Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Naturmaterialienstellt Fortschritte bei der Kopplung von Licht und Materie auf der Nanoskala vor. Forscher um LMU-Physiker Dr. Andreas Tittl haben eine Metaoberfläche entwickelt, die starke Kopplungseffekte zwischen Licht und Übergangsmetalldichalkogeniden (TMDCs) ermöglicht. Diese neuartige Plattform basiert auf photonisch gebundenen Zuständen im Kontinuum, sogenannten BICs, in nanostrukturiertem Wolframdisulfid (WS2).
Die gleichzeitige Nutzung von WS2 als Basismaterial für die Herstellung von Metaoberflächen mit scharfen Resonanzen und als Kopplungspartner zur Unterstützung der aktiven Materialanregung eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung polaritonischer Anwendungen.
Ein wichtiger Durchbruch in dieser Forschung ist die Kontrolle der Kopplungsstärke, die unabhängig von Verlusten im Material ist. Da die Metaoberflächenplattform problemlos andere TMDCs oder exzitonische Materialien integrieren kann, kann sie grundlegende Erkenntnisse und praktische Gerätekonzepte für polaritonische Anwendungen liefern. Darüber hinaus bietet das Konzept der neu entwickelten Metaoberfläche eine Grundlage für Anwendungen in steuerbaren Halbleiterlasern mit niedriger Schwelle, photokatalytischer Verbesserung und Quantencomputing.
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Thomas Weber et al., Intrinsische starke Licht-Materie-Kopplung mit selbsthybridisierten gebundenen Zuständen im Kontinuum in Van-der-Waals-Metaoberflächen, Naturmaterialien (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01580-7