Supersandwich verdoppelt Laser-Frequenz eine Million mal besser

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Asymmetrische, kreuzförmige Goldstrukturen entscheidend

Einen wichtigen Anteil an der hohen Effizienz des Bausteins hat das von den Forschern an der University of Texas unter der Leitung der Professoren Michail Belkin und Andrea Alu entwickelte Muster aus asymmetrischen, kreuzförmigen Goldstrukturen. Das Design dieser Strukturen können die Forscher optimal auf maximale Resonanz mit den Ein- und Ausgangsfrequenzen abstimmen.

Die Muster sind zwar wesentlich kleiner als die Wellenlänge des Lichtes, doch die regelmäßige metallische Struktur sorgt dafür, dass das Licht in das Material einkoppelt. Ihre besondere Form führt dazu, dass es an bestimmten Stellen starke Feldüberhöhungen gibt, die die Einkopplung noch verstärken. „Es ist diese spezifische Kombination von Halbleitermaterial und Gold-Nanostrukturen, die die extrem große nichtlineare Reaktion produziert“ sagt Frederic Demmerle.

Terahertz-Strahlung durch Frequenzverdoppelung

In Zukunft wollen die Physiker nach diesem Muster weitere Materialien für andere nicht-lineare Effekte entwickeln. „Denkbar ist neben der Frequenzverdopplung auch die Frequenzhalbierung sowie die Erzeugung von Summen- oder Differenzfrequenzen“, sagt Jongwon Lee, Forscher an der University of Texas und Erstautor der Publikation. „Mit solchen Bausteinen ließe sich dann beispielsweise Terahertz-Strahlung erzeugen und detektieren. Auf diese Strahlung setzt die Medizin, weil sie biologisches Gewebe nicht schädigt.“

„Indem sie außergewöhnliche elektromagnetische Wechselwirkungen und die Quantenphysik von Metamaterialien miteinander verknüpft, eröffnet diese Arbeit ein völlig neues Forschungsfeld im Bereich der nichtlinearen Optik“, sagt Professor Andrea Alu. „Weil sie nicht mehr dem Zwang zur Anpassung der Phasengeschwindigkeit unterliegen, eröffnen die in dieser Arbeit entwickelten ultradünnen nichtlinearen optischen Elementen neue Wege zu effizienten Bausteinen für die Frequenzkonversion“, ergänzt Professor Mikhail Belkin.

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