Femtosekunden-Schalter – schaltbare Chiralität und damit schaltbare optische Aktivität in Metamaterialien
Kurzfassung
Mit einem optischen oder elektrischen Signal die Chiralität und damit die optische Aktivität im sichtbaren, IR- oder THz-Bereich für eine beliebige Wellenlänge ändern: Das ist möglich mit dem neuen Schalter, der sich die plasmonische Resonanz in Metamaterialien zunutze macht.
Vorteile
- Einfache und schnelle Invertierung der Händigkeit – reversible Schaltbarkeit
- Wellenlängen abstimmbar
- Stärke der Zirkulardichroismus-Signale der beiden Schaltniveaus frei einstellbar
- Schaltbar im Piko- bzw. Femtosekundenbereich
- Flexible Abstimmung über einen weiten Frequenzbereich – im Infrarotbereich, im sichtbaren und THz-Bereich
- Einfache Herstellung mit etablierten Verfahren
Anwendungsbereiche
Das erfindungsgemäße Metamaterial kann neue Möglichkeiten eröffnen z. B. für die Stereo-Bildgebung, insbesondere die 3D-Bilderzeugung, VR-/ AR-Technologie, thermische Bildgebung, nano-photonische Schaltkreise und die Datenspeicherung.
Hintergrund
Die vorliegende Erfindung bietet die Möglichkeit, die optische Aktivität eines chiralen Metamaterials zu kontrollieren, sodass ein erfindungsgemäßes System reversibel von rechtsdrehend zu linksdrehend geschalten werden kann.
Problemstellung
Es gibt bereits Ansätze, Metamaterialien mit schaltbaren chiralen und damit optischen Eigenschaften zu verwirklichen. Diese Materialien sind allerdings teuer, schwierig herzustellen und nur langsam zu schalten. Auch können bei diesen Ansätzen die Eigenschaften des Metamaterials – wenn überhaupt – nur in beschränktem Umfang auf einen bestimmten Wellenlängenbereich abgestimmt werden.
Lösung
An der Universität Stuttgart wurde, gefördert von der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH, ein neuer Schalter entwickelt, dessen Chiralität innerhalb von Piko- oder sogar Femtosekunden geändert werden kann. Insbesondere wird das Metamaterial dadurch vollständig von rechtsdrehend auf linksdrehend oder umgekehrt umgeschaltet.
Der Wellenlängenbereich, in dem das System arbeitet, kann flexibel durch die Geometrie der Nanostrukturen und die Wahl des genutzten Phasenwechselmaterials, das als Schaltmaterial verwendet wird, bestimmt werden. Dadurch kann die Erfindung sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Bereich eingesetzt werden.
Die Schaltbarkeit der Chiralität wird realisiert, indem ein aktives chirales Metamaterial (das bspw. das Phasenwechselmaterial GST-326 als Schaltmaterial nutzt) und ein passives Metametrial kombiniert werden. So kann auch die Stärke der Zirkulardichroismus-Signale, zwischen denen geschaltet wird, frei gewählt werden.
Der Schaltvorgang wird durch einen optisch oder elektrisch angeregten Phasenwechsel des Schaltmaterials in dem aktiven Metamaterial ausgelöst. Das Zirkulardichroismus-Signal wird zwischen 100% und 0% bei der Peak-Wellenlänge der plasmonischen Resonanz geschaltet.
![Prinzipskizze des neuartigen Schalters mit 2 chiralen Anordnungen C1 und C2 und darin enthaltenen Nanostrukturen N1 und N2 auf je 2 unterschiedlichen Niveaus L1 und L2 [Bild: Universität Stuttgart].](/fileadmin/user_upload/img/Technologieangebote/14_101_Schema.PNG "Prinzipskizze des neuartigen Schalters mit 2 chiralen Anordnungen C1 und C2 und darin enthaltenen Nanostrukturen N1 und N2 auf je 2 unterschiedlichen Niveaus L1 und L2 [Bild: Universität Stuttgart].")
Prinzipskizze des neuartigen Schalters mit 2 chiralen Anordnungen C1 und C2 und darin enthaltenen Nanostrukturen N1 und N2 auf je 2 unterschiedlichen Niveaus L1 und L2 [Bild: Universität Stuttgart].
Publikationen und Verweise
„Active Chiral Plasmonics“, Xinghui Yin, Martin Schäferling, Ann-Katrin U. Michel, Andreas Tittl, Matthias Wuttig, Thomas Taubner, and Harald Giessen,
Nano Letters 2015 15 (7), 4255-4260,
doi.org/10.1021/nl5042325
Weiterführende Hintergrundinformationen in:
„Interpreting Chiral Nanophotonic Spectra: The Plasmonic Born–Kuhn Model“,
Xinghui Yin, Martin Schäferling, Bernd Metzger, and Harald Giessen,
Nano Letters 2013 13 (12), 6238-6243,
doi.org/10.1021/nl403705k