Natürliche und künstliche Kristalle können die spektrale Farbe von Licht verändern – das bezeichnet man als nichtlinearen optischen Effekt. Die Farbkonversion wird in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, z. B. bei der nichtlinearen Mikroskopie biologischer Strukturen und Materialuntersuchungen, bei LED-Lichtquellen und Lasern, in der optischen Kommunikation sowie in der Photonik und darauf basierenden Technologien wie Quantencomputer. Wissenschaftler der Universität Paderborn haben jetzt einen Weg gefunden, wie der zugrundeliegende physikalische Prozess hinter dem Phänomen verbessert werden kann. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachmagazin „Light: Science & Applications“ veröffentlicht.
„Der Prozess beruht auf sogenannten anharmonischen Potentialen der Kristallatome und führt häufig zu einer exakten Vervielfachung der Lichtfrequenz, bei der von der Erzeugung ‚höherer Harmonischer‘ die Rede ist – das ist etwa vergleichbar mit den Obertönen bei der Schwingung einer Saite eines Instrumentes“, erklärt der Paderborner Physiker Prof. Dr. Cedrik Meier. Obwohl der Effekt in vielen Kristallen auf natürliche Weise auftritt, ist er meist äußerst schwach. Daher gibt es zahlreiche Ansätze, den Effekt zu verstärken, beispielsweise durch die Kombination verschiedener Materialien und deren Strukturierung auf Mikro- und Nanoskalen. Die Universität Paderborn hat in diesem Bereich in den vergangenen Jahrzehnten intensiv und erfolgreich geforscht.
Ein Schwerpunkt dieser Forschung in der Photonik sind Metamaterialien und insbesondere Metaoberflächen. Hierbei werden strukturierte Elemente im Nanometerbereich auf ein dünnes Trägermaterial aufgebracht, mit denen eingestrahltes Licht interagiert und beispielsweise optische Resonanzen ausbildet. Durch eine längere Verweildauer und Fokussierung kann das Licht effizienter höhere Harmonische erzeugen.
In einer interdisziplinären Zusammenarbeit haben die Forschungsgruppen von Prof. Dr Cedrik Meier (Nanophotonik & Nanomaterialien), Prof. Dr. Thomas Zentgraf (Ultraschnelle Nanophotonik) und Prof. Dr. Jens Förstner (Theoretische Elektrotechnik) an der Universität Paderborn im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregio 142 „Tailored Nonlinear Photonics“ einen innovativen Ansatz entwickelt, um höhere Harmonische effizienter zu erzeugen. Durch den Einsatz speziell dimensionierter Anordnungen mikroskopisch kleiner elliptischer Zylinder aus Silizium konnten sie den sogenannten Fanoeffekt nutzen – einen besonderen physikalischen Mechanismus, bei dem mehrere Resonanzen einander verstärken.
Die Wissenschaftler ermittelten zunächst die optimalen Geometrieparameter mittels numerischer Simulationen und untersuchten die zugrundeliegende Physik. Anschließend stellten sie die Nanostrukturen mit modernsten Lithografieverfahren her und führten optische Untersuchungen durch. Sowohl theoretisch als auch experimentell konnte nachgewiesen werden, dass die Erzeugung der dritten Harmonischen – also Licht mit der dreifachen Frequenz des eingestrahlten Lichts – im Vergleich zu bisher bekannten Strukturen dieser Art besonders effizient erfolgen kann.
Die Ergebnisse der Forscher wurden in einem Fachartikel mit dem Titel "A multi-mode super-fano mechanism for enhanced third harmonic generation in silicon metasurfaces" im renommierten Journal des Springer-Nature Verlags veröffentlicht.
