Ob Halbleiter-Chips oder optische Sensoren – vielen modernen Anwendungen liegt die Manipulation von Licht auf der Nanoskala zugrunde. Ein internationales Team von Physiker:innen unter Beteiligung der Universität Graz hat nun eine neuartige Methode entwickelt, die einen breiteren Spektralbereich als bisher nutzbar macht. Dazu sperren sie Licht in Luftlöcher. In diesen Hohlräumen lassen sich außergewöhnliche optische Eigenschaften nutzen. Die Forschungsergebnisse wurden im renommierten Fachjournal Nature Light, Science & Applications publiziert.
In Forschung und Technik werden Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie gezielt manipuliert, um Schwingungen mit ganz bestimmten Wellenlängen – sogenannte Resonanzen – hervorzurufen oder zu verstärken. Dies geschieht mit Hilfe von Nanostrukturen aus Metallen oder Halbleitern wie Silizium. Da diese Materialien die Lichtwellen zum Teil absorbieren, können aber nicht alle Frequenzbereiche genutzt werden. Wissenschaftler:innen der Universitäten Graz und Stuttgart sowie der Australian National University in Canberra haben einen Weg gefunden, das Problem zu lösen. „Wir stellen durch lithografische Verfahren Luftlöcher in einem Würfel aus Silizium her und sperren Licht in diese Hohlräume. Da Luft die Schwingungen der Photonen nicht absorbiert, eröffnen sich viele neue Möglichkeiten in einem breiten Frequenzspektrum“, berichtet Thomas Weiss, Professor für Theoretische Nanophysik an der Uni Graz.
Mit diesem Verfahren lassen sich auch Metaoberflächen, also ultradünne Filme bestehend aus solchen Löchern, für den ultravioletten Bereich bauen, was für die Halbleiter-Industrie ebenfalls von enormer Bedeutung sein kann. Denn die Strukturen von Chips, die in fast allen modernen elektronischen Geräten zum Einsatz kommen, erfordern in der Herstellung Abbildungssysteme für sehr kurzwelliges Licht im ultravioletten Bereich. Auch für die Entwicklung optischer Sensoren sind die Forschungsergebnisse interessant. Viele Moleküle werden durch UV-Licht angeregt. Wenn es gelingt, diese Wechselwirkung entsprechend zu verstärken, können Sensoren selbst einzelne Moleküle detektieren. „Mie-Voids – so nennen wir die resonanten Hohlräume, in die wir das Licht sperren – werden den Betrieb funktionaler Metaoberflächen in den blauen und UV-Spektralbereich vorantreiben“, ist Thomas Weiss überzeugt.
Publikation:
Dielectric Mie Voids: Confining Light in Air
M. Hentschel, K. Koshelev, F. Sterl, S. Both, J. Karst, L. Shamsafar, T. Weiss, Y. Kivshar, and H. Giessen
Nature Light: Science & Applications, 1. Jänner 2023
https://doi.org/10.1038/s41377-022-01015-z
