Ein "Graphen-Schalter" für elektromagnetische Strahlung
Neues hybrides Metamaterial mit hohem Anwendungspotential
Zwei Experimentalphysik-Gruppen der Universität Exeter (unter Leitung von Prof. Geoffrey Nash, Ph. D.) und der ETH Zürich (unter Leitung von Prof. Dr. Jérôme Faist) berichten zusammen mit PD Dr. Sergey Mikhailov und seiner Theorie-Gruppe am Institut für Physik der Universität Augsburg in der Fachzeitschrift Nature Communications über das Design und die Untersuchung eines neuen hybriden „Metamaterials”, das spezifische Eigenschaften mit hohem Anwendungspotential besitzt, die natürliche Materialien nicht aufweisen.
Die verwendete Hybrid-Metamaterialstruktur besteht aus einer Anordnung von Spaltring-Resonatoren aus Gold in Kombination mit Nanobändern von Graphen, die zwischen den metallischen Elementen liegen.
© Isaac Luxmoore/University of Exeter
Die Physiker aus Augsburg, Exeter und Zürich kombinierten Nanobänder von Graphen mit einem sogenannten Spaltring-Resonator, einer speziellen Form einer metallischen Antenne. Die gesamte Struktur liegt auf einem Siliziumdioxid-Substrat, das auf der Rückseite metallisch beschichtet ist. Graphen-Elektronen sind in der Lage, über die Nano-Bänder hinweg Plasma-Schwingungen zu erzeugen. Auch die Elektronen des Spaltring-Resonators schwingen mit ihrer eigenen Frequenz.
Diese zwei Arten von Schwingungen wechselwirken miteinander, wobei die Intensität ihrer Wechselwirkung durch die Spannung zwischen den Graphen-Nanobändern und dem Metallkontakt auf der Rückseite des Siliziumdioxid-Substrats gesteuert werden kann. Durch die auf diese Weise erzielbare starke Wechselwirkung zwischen den erzeugten Plasmaschwingungen und der äußeren elektromagnetischen Strahlung kann dieses System als eine Art Schalter fungieren, mit dem sich eine elektromagnetische Welle sehr schnell ein- und ausschalten lässt.
Die Funktionsweise dieses Schalters wurde bei Frequenzen von einigen Terahertz demonstriert. Die entsprechenden Strahlungswellen sind sehr lang, weit länger als solche, die das menschliche Auge sehen kann. Ein wichtiges Merkmal der neuen Struktur ist, dass sie diese elektromagnetischen Strahlen in einem Bereich bündeln kann, der viel kleiner ist als die Wellenlängen. "Wir sehen darin eine wesentliche Voraussetzung und realistische Möglichkeit für die Entwicklung neuartiger spektroskopischer Methoden mit ultrahoher Auflösung", erläutert Mikhailov.
Auch darüber hinaus haben die Ergebnisse der Forschergruppe um Nash, Faist und Mikhailov das Potential, die Grundlage für die Entwicklung einer Reihe weiterer technologisch wichtiger Komponenten zu sein. So ist die Entwicklung einer völlig neuen Laserquelle für viele verschiedene Anwendungen u. a. in der Sicherheitstechnik, der Medizin, der Telekommunikation oder der Gas-Sensorik das übergeordnete Ziel des europäischen GOSFEL-Projekts, in dessen Rahmen Mikhailov und Kollegen ihre jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse erarbeitet haben.
Die Gruppe um Mikhailov am Augsburger Lehrstuhl für Theoretische Physik II arbeitet zugleich auch an "Graphene Flagship", einem weiteren europäischen Forschungsprogramm mit, in dessen Rahmen sie nicht-lineare elektrodynamische Eigenschaften von Graphen untersucht, um die Voraussetzungen für die Verwendung von Graphen in verschiedenen elektronischen und optoelektronischen Bauteilen zu schaffen.
Originalveröffentlichung
Peter Q. Liu, Isaac J. Luxmoore, Sergey A. Mikhailov, Nadja A. Savostianova, Federico Valmorra, Jerome Faist, Geoffrey R. Nash; “Highly tunable hybrid metamaterials employing split-ring resonators strongly coupled to graphene surface plasmons”; Nature Communications 6, 8969 (2015).
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