Plasmonen-Drag-Effekt auf Basis metallischer Nanodrähte in optischen Fasern: Grundlagen und optoelektronische Aspekte

• Antragsteller: Professor Dr. Markus A. Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318570041

Die Detektion von Licht ist eine wesentliche Eigenschaft jedes photonischen Systems. Ein vielversprechender Detektionsansatz ist der Photon-Drag-Effekt, welcher z.Z. für den schnellen Nachweis von langwelliger Strahlung eingesetzt wird. Dieser Effekt basiert auf einem Impulstransfer von Photonen zu Elektronen bei der Absorption durch freie Ladungsträger. Aufgrund hoher Ladungsträgerkonzentrationen und großer elektrischer Leitfähigkeit sind Metalle für Drag-Anwendungen grundsätzlich prädestiniert, wobei aber der hohe Reflexionsgrad zu einer geringen Licht-Metall-Wechselwirkung und somit zu vernachlässigbar kleinen Drag-Effekt-induzierten Strömen führt.Substantiell größere Feld-Metall-Überlappungen lassen sich mit Oberflächenplasmonen (engl. surface plasmon polaritons (SPPs)) erzielen, welche polaritonische Zustände an Metall/Dielektrikum-Grenzflächen sind. SPPs können für einen effektiven Impulstransfer auf Basis des Plasmon-Drag-Effekt (PDE) genutzt werden. Erste vielversprechende Resultate wurden in vereinzelten Experimenten zur prinzipiellen Beobachtbarkeit erzielt, wobei aber die grundlegenden physikalischen Funktionsprinzipien aufgrund der schlechten elektrischen Leitfähigkeit planarer Filme, suboptimalen Anregungsmethoden und unzureichenden Wechselwirkungslängen nicht untersucht wurden. Die Ziele dieses Projekts sind die Aufklärung der grundlegenden Physik des PDE durch detaillierte experimentelle Studien und die Evaluierung des PDE in Hinblick auf plasmonische optoelektronische Detektion. Als Basis für die Untersuchungen dienen metallische Nanodrähte (ND) in optischen Fasern - eine neuartige Plattform, welche alle oben angeführten Probleme löst. Die ND weisen Durchmesser weniger Hundert Nanometer bei Längen mehrerer Zentimeter auf und verbinden somit in einzigartiger Weise eine lange Licht-Metall-Wechselwirkung mit einer intrinsisch hohen elektrischen Leitfähigkeit. In diesem Projekt sollen die ND elektrisch kontaktiert werden, um den PDE unter verschiedensten Bedingungen zu untersuchen. Neben Transmissionsexperimenten erlaubt der flexible Faseraufbau Messungen bei kyrogenen Temperaturen zur Bestimmung von Phononeneinfluss und Materialmorphologie. Weiterhin soll das dynamische Verhalten des PDE (z.B. Drop-off-Frequenz) durch Verwendung kurzer optischer Pulse analysiert werden. Die Evaluation des PDE in Hinblick auf Anwendung für plasmonische, Halbleiter-freie optoelektronische Detektion ist ein weiteres zentrales Anliegen des Projekts, wobei der PDE die einzigartige Option für eine vollständig monolithische und schnelle in-Faser-Detektion bietet.Das Ziel des Projekts ist insgesamt die experimentelle Untersuchung des PDE auf Basis von metallischen ND in Fasern mit zwei wesentlichen Forschungsrichtungen: (i) der Aufdeckung der grundlegenden physikalischen Funktionsmechanismen des PDE und (ii) die detaillierte Evaluierung des PDE in Hinblick auf Anwendung für plasmonische optoelektronische Detektion.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen