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Graphene Based Active Metamaterials

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Metamaterialien aus Graphen steuern Lichtgeschwindigkeit

EU-Forscher analysierten Metamaterialien mit extrem hoher Chiralität und entwickelten einen elektrisch steuerbaren aktiven Graphenpolarisator. Zugleich demonstrierten sie experimentell eine neue Klasse zweischichtiger Metamaterialstrukturen, die die optische Aktivität durch starke intermolekulare Wechselwirkungen zwischen benachbarten planaren chiralen Metamolekülen deutlich verbessern.

Grundlagenforschung

Ein Metamaterial ist eine künstlich erzeugte Struktur mit Einzelelementen aus Verbundmaterialien, das ungewöhnliche optische, in der Natur nicht vorkommende Eigenschaften besitzt. Das EU-finanzierte Projekt GRAB-A-META (Graphene based active metamaterials) entwickelte ein Verfahren, bei dem mit Graphenmetamaterial optische Eigenschaften wie Polarisation und Lichtgeschwindigkeit aktiv kontrolliert werden können. Die elektromagnetischen Eigenschaften dieser künstlichen Materialien können durch Metallstrukturen unterhalb der Wellenlänge verändert werden (so genannte Meta-Atome), um neue physikalische Phänomene wie negativen Brechungsindex, Chiralität bei Makromolekülen und analoge elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) zu erzeugen. Mit der ultradünnen, freistehenden flexiblen Plattform des Metamaterialsystems ist eine vollständige elektrische Steuerung neuer optischer Eigenschaften möglich, gleichzeitig werden aber auch die meisten Einschränkungen herkömmlicher Halbleitermetamaterialien ausgeräumt. Die Forscher untersuchten chirale Metamaterialien in Kombination mit einer Graphen-Monolage mit Gate (single-layer grapheme, SLG). Die Ergebnisse zeigten, dass die Übertragung einer Terahertz (THz)-Welle mit einer zirkularen Polarisation elektrisch gesteuert werden kann, ohne dass die andere zirkulare Polarisation beeinflusst wird. Damit können außerordentlich große Modulationstiefen mit einer niedrigen Gate-Spannung erreicht werden. Demonstriert wurden auch Operationen mit Polarisationsgedächtnis für eine 10-jährige Retentionszeit, was durch Hybridisierung von Graphen, einem ferroelektrischen Material und der chiralen Metamaterialien erreicht wurde. Durch elektrische Kontrolle der Polarisation eignen sich chirale Graphen-Metamaterialien für eine Reihe von THz-Technologien, etwa ultrakompakte aktive Polarisationsmodulatoren für die Telekommunikation und bildgebende Geräte sowie ultrasensitive Sensoren zur Identifizierung von Chiralität und Strukturen bei Makromolekülen. Entwickelt wurden zudem aktive Graphen-EIT-Metamaterialien für langsame Lichtsysteme, die die Lichtgeschwindigkeit durch Gate-Spannungen steuern können. Theoretische Analysen zeigten, dass dieses aktive EIT-Schalten auf die Unterdrückung des dissipativen Verlustes des Strahlungsresonators durch elektrisches Einstellen der Leitfähigkeit der integrierten Graphenschicht zurückzuführen ist. Die Forschungsarbeit von GRAB-A-META zur Anpassung der elektrischen Aktivität von EIT-Metamaterialien ebnet den Weg für die Entwicklung von Beleuchtungselementen mit aktiv gesteuerter Lichtgeschwindigkeit, ultrasensitiver Sensoren und nichtlinearer Geräte.

Schlüsselbegriffe

Graphen, Metamaterialien, Chiralität, GRAB-A-META, elektromagnetisch induzierte Transparenz

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