ERC-Grant: Functional extreme nonlinear nanomaterials

Das Verständnis nichtlinearer optischer Eigenschaften von zweidimensionalen Halbleitern und ihrer Heterostrukturen ist für ein erfolgreiches Design und die Herstellung von nanophotonischen Bauteilen unerlässlich. Insbesondere für rein photonische Elemente, die nur mit Licht funktionieren, müssen nichtlineare Eigenschaften präzise gesteuert und mit ausgefeilten Funktionalitäten kombiniert werden. Solche Funktionalitäten können durch nanostrukturierte Materialien entstehen, die auch als Meta-Oberflächen oder Metamaterialien bezeichnet werden. Die durch Metamaterialien induzierten lokalen elektromagnetischen Felder können einige Größenordnungen über dem des externen Beleuchtungsfelds liegen. Das vom ERC durch den Consolidator Grant „NONLINMAT“ finanzierte Projekt konzentriert sich auf die Kombination der deutlich verstärkten elektromagnetischen Felder aus nanostrukturierten Metamaterialien mit Halbleiterquantenstrukturen in Galliumnitrid und atomar dünnen Übergangsmetalldichalkogeniden, wie Monolagen aus Wolfram- oder Hafnium -Disulfid (auch als 2D-Material bezeichnet).

Im Unterschied zu den herkömmlichen halbleitenden Volumen- und Quasi-2D-Materialien, verbessern die Einschränkung der Quantenzustände und die reduzierte dielektrische Abschirmung in 2D-Halbleitern die Wechselwirkungen zwischen den Quasiteilchen und führen zu hohen Exziton-Bindungsenergien, bei denen Vielkörpereffekte berücksichtigt werden müssen. In einem solchen System von 2D-Halbleitern werden Untersuchungen der Vielteilchenphysik zu einem sehr spannenden Forschungsfeld, um die Grundlagen der Quantenmechanik zu erforschen. Es können insbesondere unkonventionelle exzitonische Quasiteilchen hoher Ordnung wie Trionen und Biexzitonen existieren, und die verstärkten elektromagnetischen Felder der Laseranregung können zur Beobachtung dieser Quasipartikel beitragen und die zugrunde liegenden Vielteilcheneffekte aufdecken. Andererseits können nichtlinear-optische Eigenschaften von nanostrukturierten Metamaterialien durch atomar dünne 2D-Materialien moduliert werden. Die lokalisierten Oberflächenresonanzen von Nanostrukturen treten dabei an den Metall-2D-Halbleiter-Grenzflächen auf. Darüber hinaus kann durch Anpassen der Frequenzbänder der Nanostrukturen, die mit den Emissionsbändern des 2D-Materials überlappen, die resonante Kopplung von Emissionsbändern zu einer neuen Physik führen, wie etwa speziell polarisierten Oberflächenplasmonen.

Das Projekt untersucht den Einfluss selektiver Kopplungsmechanismen basierend auf Symmetrieaspekten der Nanostrukturen und der Gittersymmetrie der 2D-Materialien. Der Fokus liegt dabei auf der Verbesserung nichtlinearer optischer Effekte und der Kontrolle der Eigenschaften mit reinem Licht. Die Ergebnisse werden zu einem tieferen Verständnis der Kopplungsmechanismen zwischen künstlich hergestellten Nanostrukturen und natürlichen Materialsystemen führen. Andererseits kann die verbesserte Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu kleineren und effizienteren rein optischen Geräten für zukünftige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung führen.

Dieses Projekt wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 724306) gefördert.