Exciton-plasmon interaction in metal-semiconductor hybrid nanostructures

• Antragsteller: Professor Christoph Lienau, Ph.D.; Professor Dr. Erich Runge
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 138525804

Ziel dieses Projekts ist ein vertieftes mikroskopisches Verständnis der linearen und nicht-linearen optischen Anregungen von modellhaften Hybrid-Nanostrukturen aus Metallen und Halbleitern oder Molekülen, speziell in Systemen, deren räumliche Ausdehnung in allen drei Raumdimensionen im Nanometerbereich liegt. Wir planen insbesondere die kohärente Wechselwirkung zwischen Exzitonen (X), den elementaren optischen Anregungen von Halbleitern, und Oberflächen-Plasmon (SP)-Polaritonen (SPP), den elementaren optischen Anregungen von Metall-Nanostrukturen, im Detail zu untersuchen. Wir werden experimentelle Methoden der kohärenten Ultrakurzzeit-Spektroskopie und nano-optische bildgebende Techniken mit theoretischer Modellierung unter Nutzung von Methoden der Vielteilchentheorie, der Quantenchemie und der Physik ungeordneter Systeme sowie durch Computersimulationen von optischen und elektronischen Eigenschaften kombinieren. Mit diesem Ansatz werden wir die Dynamik von SPP-Feldern, die an optisch verstärkende Quantensysteme koppeln, auf der Nanometer-Femtosekunden-Skala erkunden. Dabei werden organische Laserfarbstoffe wie Rhodamine und anorganische kolloidale Quantenpunkte als Materialien eingesetzt werden. Wir werden verschieden Ansätze erproben, um die SPP-Felder räumlich maximal zu konzentrieren und dadurch die Exziton-Plasmon-Kopplung zu optimieren. Dieses soll es ermöglichen, Moden des SPP-Feldes stark an einzelne Quantenemitter zu koppeln. Die in der ersten Förderperiode demonstrierte ultraschnelle Manipulation der sogenannten Rabi-Aufspaltung in gemischten X-SPP-Quanten eröffnet dabei einen gänzlich neuen Ansatz zur Untersuchung solcher Systeme im starken oder gar ultra-starken Kopplungsregime. Wir hoffen, damit neuartige ultraschnelle nano-optische Funktionalitäten zu realisieren, die für zukünftige plasmonische und quanten-plasmonische Anwendungen etwa in plasmonischen Transistoren oder nanoantennenverstärkten Sensoren zum Nachweis einzelner Nanoteilchen, genutzt werden können. Im Mittelpunkt des Interesses stehen dabei (a) optische verstärkende Materialien und deren Verhalten, (b) einzelne Quantenemitter, Quantenplasmonik und das Schalten von Licht auf der Nanometer-Femtosekunden-Skala sowie (c) das Wechselspiel von unordnungsinduzierter Lokalisierung mit der Bildung von Hot Spots mit extremer lokaler Feldüberhöhung.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1391: Ultrafast Nanooptics