Nanophotonik: Kopplung von Licht und Materie

Die Wechselwirkung von Licht und Materie auf der Nanoskala ist von zentraler Bedeutung für die Nanophotonik. Resonante Nanosysteme ermöglichen die Kontrolle und Verstärkung elektromagnetischer Energie in Volumina, kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Mit ihrer Hilfe lässt sich Sonnenlicht deutlich effektiver speichern und sie ermöglichen auch eine verbesserte optische Wellenführung und Emissionskontrolle. Die starke Kopplung von Licht an elektronische Anregungen in Festkörpermaterialien erzeugt hybridisierte photonische und elektronische Zustände, sogenannte Polaritonen, welche interessante Eigenschaften wie Bose-Einstein-Kondensation und Superfluidität aufweisen können.

Eine neue Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Materials, präsentiert Fortschritte in der Kopplung von Licht und Materie auf der Nanoskala. Forschende um den LMU-Physiker Dr. Andreas Tittl haben eine Metaoberfläche entwickelt, die starke Kopplungseffekte zwischen Licht und Übergangsmetalldichalkogeniden (TMDCs) ermöglicht. Diese neuartige Plattform basiert auf photonischen, gebundenen Zuständen im Kontinuum, sogenannten BICs, in nanostrukturiertem Wolframdisulfid (WS2). Der gleichzeitige Einsatz von WS2 als zugrundeliegendes Material für die Herstellung von Metaoberflächen mit scharfen Resonanzen und als Träger der aktiven Materialanregung als Kopplungspartner eröffnet dabei neue Möglichkeiten zur Erforschung von polaritonischen Anwendungen.

Ein wichtiger Durchbruch dieser Forschung ist die Kontrolle der Kopplungsstärke, die unabhängig von Verlusten innerhalb des Materials ist. Die Metaoberflächen-Plattform kann problemlos andere TMDCs oder exzitonische Materialien integrieren, um grundlegende Erkenntnisse und praktische Gerätekonzepte für polaritonische Anwendungen zu liefern. Das Konzept der neu entwickelten Metaoberfläche liefert eine Grundlage für Anwendungen in kontrollierbaren niederschwelligen Halbleiterlasern, photokatalytischer Verstärkung und im Quantencomputing.

Thomas Weber, Lucca Kühner, Luca Sortino, Amine Ben Mhenni, Nathan P. Wilson, Julius Kühne, Jonathan J. Finley, Stefan A. Maier, Andreas Tittl: Intrinsic strong light-matter coupling with self-hybridized bound states in the continuum in van der Waals metasurfaces. Nature Materials, 2023