Thomas Weiss und sein Team am Institut für Physik der Universität Graz erforschen elektromagnetische Resonanzen in Nanostrukturen, die feiner als ein menschliches Haar sind. Dazu konstruieren sie solche Strukturen so, dass diese verstärkte optische Signale hervorrufen, wenn sie zum Beispiel mit einem Laser nahe ihrer eigenen Schwingungsfrequenz angeregt werden. Diese resonante Verstärkung lässt sich in vielfältigen Anwendungen nutzen. „Im Fall von optischen Sensoren wird Licht für eine kurze Zeit in den Nanostrukturen eingeschlossen, bevor es von den elektromagnetischen Resonanzen emittiert wird. Dabei liefert es Informationen über die Umgebung der Strukturen. So lassen sich etwa Moleküle, Gase oder Flüssigkeiten erkennen, zum Beispiel in der Biomedizin oder der Chemie“, erklärt Thomas Weiss.
Vorteile kombiniert
In ihrer aktuellen Arbeit beschreiben die Forscher:innen, unter welchen Bedingungen sich eine Struktur entwickeln lässt, die eine neuartige Resonanz mit besonders nützlichen Eigenschaften unterstützt. „Diese ist sowohl hoch sensitiv gegenüber der Umgebung als auch leicht zu messen, weil sie nur langsam abklingt. Eine Kombination von Vorteilen, die bislang nicht möglich war. Wir bezeichnen die neue Klasse von Resonanzen als „EP-BIC“, sagt Adrià Canós Valero, Erstautor der Studie.
Die Physiker aus Graz verschmelzen zwei bereits bekannte Klassen von Resonanzen: sogenannte außergewöhnliche Punkte (Englisch „Exceptional Points“, EPs) und gebundene Zustände im Kontinuum (Englisch „Bound States in the Continuum“, BICs). Beide haben jeweils einen gravierenden Nachteil: EPs sind zwar besonders empfindlich gegenüber kleinen Veränderungen, was ihr Signal äußerst sensitiv für die Umgebung macht, aber sie klingen sehr schnell wieder ab. Das erschwert die Messung des Signals. BICs haben das gegenteilige Problem. Sie zerfallen langsam und sind daher leicht zu detektieren, reagieren aber weniger empfindlich auf kleine Umweltveränderungen als EPs. Daher können sie nicht zur effizienten Erkennung geringer Stoffmengen, wie etwa von Molekülen, verwendet werden.
„In unserer Arbeit haben wir eine Lösung für dieses Problem gefunden“, so Canós Valero. „Die von uns beschriebene Struktur unterstützt eine Resonanz, die sowohl EP als auch BIC ist und deren Vorteile vereint.“ Die Physiker:innen gehen davon aus, dass ihre Forschungsergebnisse einen starken Einfluss auf die Entwicklung fortschrittlicher Sensoren haben werden.
Publikation
Exceptional Bound States in the Continuum
Physical Review Letters 134, 103802 – Published 14 March, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.103802
