Nano-Photonik mit Graphen auf dem Weg in die Praxis
Graphen ist ein wirklich zweidimensionales Material bestehend aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen und hat seit seiner experimentellen Isolierung aufgrund seiner außergewöhnlichen elektronischen, mechanischen und optischen Eigenschaften großes Interesse geweckt. Die einzigartigen Eigenschaften von Graphen haben eine starke Wirkung auf geführte elektromagnetische Oberflächenwellen, sogenannte Oberflächenplasmonen. Von Oberflächenplasmonen und den zugehörigen optischen Feldern wird angenommen, dass sie elektrisch durch die Variation der Graphenträgerdichte eingestellt werden können. Experimentelle Arbeiten im Rahmen von GRANOP (Graphene nano-photonics) wiesen darauf hin, dass Graphen-Plasmonen auf Volumina beschränkt werden können, die millionenfach kleiner sind, als durch die Ausbreitung von Plasmonen im freien Raum. Darüber hinaus zeigten die Wissenschaftler, dass die stark beschränkten optischen Felder von Plasmonen unter realistischen Bedingungen Wechselwirkungen in Zeitskalen von Pikosekunden ermöglichen - deutlich kürzer als die zu erwartende Lebensdauer von Plasmonen. Das GRANOP-Team nutzte diese Interaktion und die intrinsische Nichtlinearität von Graphen, um einen Ein-Photonen-Schalter zu realisieren. Insbesondere wurde die Beschränkung des optischen Feldes genutzt, um eine Graphen-Nanostruktur in einen abstimmbaren Resonanzhohlraum mit extrem kleinem Bodenvolumen umzuwandeln. Die Hohlraumresonanz wurde durch das Gating des Graphens in situ gesteuert. Die Möglichkeit, Plasmonen-Modi ein- und auszuschalten soll den Weg zu graphenbasierten optischen Transistoren ebnen. Die Kombination von Nanoelektronik und Nanooptik ermöglicht die Entwicklung einer Vielzahl von nano-optoelektronischen Bauelementen. Unter anderem werden stark verstärkte Licht-Materie-Wechselwirkungen für Quantensysteme in Betracht gezogen. Vor Ablauf des Projekts zeigten die Wissenschaftler starke Wechselwirkungen zwischen Graphen und Erbium-Ionen als nanoskalige Lichtemitter. Durch die Platzierung der Erbium-Ionen mit nur wenigen Nanometern Abstand von Graphen konnte die Entspannungsrate von angeregten Erbium-Ionen modifiziert werden, die Licht zur technologisch relevanten Telekommunikationswellenlänge von 1,5 µm emittieren. Zudem konnte gesteuert werden, ob der Emitter in Elektron-Loch-Paare zerfällt, Photonen oder Graphen-Plasmonen emittierte. Die Arbeiten von GRANOP zur Steuerung der Relaxationsgeschwindigkeit und der Pfade solcher Lichtemitter werden Anwendungen in Bereichen von der Quanteninformationsverarbeitung und Lichtsammlung bis hin zur Erfassung von (Bio)-Molekülen haben.
Schlüsselbegriffe
Graphen, Nano-Photonik, Oberflächenplasmonen, optische Felder, GRANOP, Lichtemitter