Mie-Voids könnten eine Kontrolle des Lichts in der Luft bewirken

Optische Resonanzphänomene in Metallen und Dielektrika haben tiefgreifende Anwendungen auf vielen Gebieten. Die Begrenzung im Nanomaßstab ermöglicht eine beispiellose Kontrolle der Licht-Materie-Wechselwirkung an Oberflächen und Grenzflächen, wodurch der Lichtfluss manipuliert und kontrolliert wird. Resonanzphänomene sind normalerweise mit Strahlungs- und Eigenverlustkanälen verbunden, die in vielen Systemen nachteilig sind. Metalle weisen starke Eigenverluste auf. Daher sind dielektrische Systeme in letzter Zeit in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückt, da sie geringere Verluste, höhere Flexibilität in Bezug auf die Abstimmung des Zusammenspiels verschiedener Resonanzen und Herstellungsstrategien versprechen, die näher an industriellen Standards liegen.

In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Wissenschaft & Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung der Professoren Harald Giessen und Mario Hentschel von der Universität Stuttgart und Professor Yuri Kivshar von der Australian National University eine neue Technik für die dielektrische Nanophotonik entwickelt. Ihre Veröffentlichung „Dielectric Mie Voids: Confining light in air“ wird Antennen- und Strukturdesigns erheblich verbessern.

Die optische Reaktion dieser Systeme hängt hauptsächlich mit der Untersuchung optischer Eigenschaften von hochbrechenden dielektrischen Partikeln in nanophotonischen Systemen zusammen. Sie ist als Mie-Theorie bekannt, die universelle Bausteine ​​für optische Metaoberflächen bildet. Die Mie-Theorie wird bei der Manipulation, Weiterleitung und Eindämmung von Strahlung verwendet und löst damit den Beginn der „Mie-tronic“-Ära aus. Der Einschluss findet jedoch innerhalb der hochbrechenden Materialien statt. Die meiste modale Intensität befindet sich innerhalb des Materials. Während dies im nahen und mittleren infraroten Wellenlängenbereich von geringerer Bedeutung ist, wird es für Wellenlängen im sichtbaren oder sogar im UV-Spektralbereich entscheidend.

Die Forscher implementieren experimentell einen eleganten und leistungsstarken alternativen Weg unter Verwendung von Materialien mit hohem Brechungsindex. Der Einschluss in hochbrechenden Dielektrika erfolgt aufgrund eines endlichen Reflexionsvermögens an der Grenzfläche des hochbrechenden Materials und der Luft. Bei festen Partikeln ist die Mode innerhalb des Materials mit hohem Brechungsindex lokalisiert. Während das Grundkonzept früher gefunden wurde, wurden diese Strukturen nicht für nanophotonische Anwendungen implementiert.

Die Forscher zeigten, dass diese Void-Moden von Mies Theorie vorhergesagt werden und eine große Ähnlichkeit mit den Mie-Moden einer Kugel mit hohem Index aufweisen. Sie zeigten jedoch subtile, aber signifikante Unterschiede. Die Neuheit dieser Arbeit ist die experimentelle Implementierung eines neuen Bausteins, der dem Feld wirklich neue Funktionalität hinzufügt. Die Forscher demonstrieren den resonanten Einschluss von UV-Strahlung, indem sie bis zu sieben Resonanzmoden höherer Ordnung im UV beobachten. Dieses bemerkenswerte Merkmal wird durch den Einschluss von Licht in der Luft ermöglicht, wodurch das gesamte modale Volumen für die Verwendung und Manipulation zugänglich wird. Bisher kann kein anderer resonanter nanophotonischer Baustein diese Aufgabe erfüllen.

Weitere experimentelle Arbeiten in dieser Richtung können andere hochbrechende Materialien, die Kombination von Mie-Kugeln und Hohlräumen und metallische plasmonische Systeme mit dielektrischen verwenden. Mie-Hohlräume eignen sich auch besonders gut für optische Sensor- und Einfangexperimente und können chirale Strukturen nutzen. Mie-Voids könnten auch in Hybridsystemen verwendet werden, bei denen Quantenemitter an die Mie-Voids gekoppelt sind, die als lokale Nanoantennen wirken. Besonders gut soll es im Blau- und UV-Bereich funktionieren. Aufgrund der Möglichkeit, das Modenvolumen im Hohlraum mit Polymeren oder Dielektrika zu füllen, sind Mie-Voids auch vielversprechend für reprogrammierbare Strukturen, Schaltungen und aktive Manipulationen.