Neue Nanokavitäten eröffnen neue Grenzen im Lichteinschluss

In einem bedeutenden Fortschritt für die Quanten-Nanophotonik hat ein Team europäischer und israelischer Physiker eine neue Art polaritonischer Hohlräume eingeführt und die Grenzen des Lichteinschlusses neu definiert. Diese bahnbrechende Arbeit wird in einer in veröffentlichten Studie detailliert beschrieben Naturmaterialiendemonstriert eine unkonventionelle Methode zur Eingrenzung von Photonen und überwindet damit die traditionellen Einschränkungen der Nanophotonik.

Physiker suchen seit langem nach Möglichkeiten, Photonen in immer kleinere Volumina zu zwingen. Die natürliche Längenskala des Photons ist die Wellenlänge, und wenn ein Photon in einen Hohlraum gezwungen wird, der viel kleiner als die Wellenlänge ist, wird es effektiv „konzentrierter“. Diese Konzentration verstärkt die Wechselwirkungen mit Elektronen und verstärkt Quantenprozesse innerhalb des Hohlraums.

Doch trotz erheblicher Erfolge bei der Eingrenzung von Licht in tiefe Volumina unterhalb der Wellenlänge bleibt der Effekt der Dissipation (optische Absorption) ein großes Hindernis. Photonen in Nanokavitäten werden sehr schnell absorbiert, viel schneller als die Wellenlänge, und diese Dissipation schränkt die Anwendbarkeit von Nanokavitäten auf einige der aufregendsten Quantenanwendungen ein.

Die Forschungsgruppe von Prof. Frank Koppens vom ICFO in Barcelona, ​​Spanien, ging diese Herausforderung an, indem sie Nanokavitäten mit einer beispiellosen Kombination aus Subwellenlängenvolumen und verlängerter Lebensdauer schuf. Diese Nanohohlräume haben eine Fläche von weniger als 100 x 100 nm² und sind nur 3 nm dünn. Sie halten das Licht deutlich länger zurück. Der Schlüssel liegt in der Verwendung von hyperbolischen Phonon-Polaritonen, einzigartigen elektromagnetischen Anregungen, die in dem 2D-Material auftreten, das den Hohlraum bildet.

Im Gegensatz zu früheren Studien zu Hohlräumen auf Phonon-Polariton-Basis nutzt diese Arbeit einen neuen und indirekten Einschlussmechanismus. Die Nanokavitäten werden durch das Bohren nanoskaliger Löcher in ein Goldsubstrat mit der extremen Präzision (2–3 Nanometer) eines He-fokussierten Ionenstrahlmikroskops hergestellt. Nach der Herstellung der Löcher wird hexagonales Bornitrid (hBN), ein 2D-Material, darauf übertragen.

Das hBN unterstützt elektromagnetische Anregungen, sogenannte hyperbolische Photonenpolaritonen, die gewöhnlichem Licht ähneln, außer dass sie auf extrem kleine Volumina beschränkt werden können. Wenn die Polaritonen die Kante des Metalls passieren, erfahren sie von diesem eine starke Reflexion, die es ihnen ermöglicht, einzuschließen. Diese Methode vermeidet somit die direkte Formung des hBN und bewahrt seine ursprüngliche Qualität, wodurch stark begrenzte UND langlebige Photonen im Hohlraum ermöglicht werden.

Diese Entdeckung begann mit einer zufälligen Beobachtung, die während eines anderen Projekts gemacht wurde, als ein optisches Nahfeldmikroskop zum Scannen von zweidimensionalen Materialstrukturen verwendet wurde. Das Nahfeldmikroskop ermöglicht die Anregung und Messung von Polaritonen im mittleren Infrarotbereich des Spektrums und die Forscher stellten eine ungewöhnlich starke Reflexion dieser Polaritonen an der metallischen Kante fest. Diese unerwartete Beobachtung löste eine tiefergehende Untersuchung aus, die zur Erkenntnis des einzigartigen Einschlussmechanismus und seiner Beziehung zur Nanostrahlenbildung führte.

Bei der Herstellung und Vermessung der Hohlräume erlebte das Team jedoch eine große Überraschung. „Experimentelle Messungen sind normalerweise schlechter als die Theorie vermuten lässt, aber in diesem Fall haben wir festgestellt, dass die Experimente die optimistischen vereinfachten theoretischen Vorhersagen übertrafen“, sagte Erstautorin Dr. Hanan Herzig Sheinfux vom Fachbereich Physik der Bar-Ilan-Universität. „Dieser unerwartete Erfolg öffnet Türen für neuartige Anwendungen und Fortschritte in der Quantenphotonik und verschiebt die Grenzen dessen, was wir für möglich gehalten haben.“

Dr. Herzig Sheinfux führte die Forschung zusammen mit Prof. Koppens während seiner Postdoktorandenzeit am ICFO durch. Er beabsichtigt, diese Hohlräume zu nutzen, um Quanteneffekte zu beobachten, die bisher für unmöglich gehalten wurden, und um die faszinierende und kontraintuitive Physik des Verhaltens hyperbolischer Phonon-Polaritonen weiter zu untersuchen.