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Experimental Physics V

Ba/Ma/PhD Projekte

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Wir bieten in unserer Arbeitsgruppe eine Vielzahl von Themen für Bachelor-, Master- und Doktorarbeiten an. Eine aktuelle Auswahl finden Sie am whiteboard neben dem EP5-Büro B040 sowie am Übergang zur Teilbibliothek Physik. Falls Sie Interesse haben zögern Sie nicht vorbeizukommen oder sich per Email bei uns melden.

Themengebiete

Nano-Opto-Electronics

Optische Nanoantennen sind kleiner als die Wellenlänge von Licht und können, wenn elektrische getrieben, als Punktquelle betrachtet werden.

Unsere Arbeitsgruppe gehört zu den Pionieren auf dem Gebiet elektrisch getriebener Nanoantennen für Licht. Wir stellen dazu hochpräzise nano-opto-elektronische Systeme hauptsächlich aus Gold her und charakterisieren diese. Derzeit arbeiten wir an komplexeren Antennengeometrien, um gerichtet Lichtemission zu erzeugen (z.B. Yagi-Uda Antennen, siehe Abbildung) und an neuen Konzepten, um die Stabilität und Effizienz der Antennen zu verbessern. Ziel ist es beispielsweise auf der Nanoskala eine Richtfunkstrecke mittels Licht zu ermöglichen, Anwendungen in der Sensorik zu entwickeln, oder sehr kleine Pixel für Displays herzustellen.

Ansprechpartner:
   Jessica Meier
   Patrick Pertsch

Optical-Nanocircuitry

Mit plasmonischen Wellenleitern lassen sich Schaltkreise realisieren in denen sich optische Anregungen auf der Nanoskala kontrollieren lassen – weit unterhalb der Wellenlänge von sichtbarem Licht.

Wir konnten zeigen, dass für die Steuerung solcher Anregungen auch die Polarisation hinzu gezogen werden kann. Für zirkular polarisierte Anregungen konnten wir erstmals eine künstliche Spin-Bahn-Kopplung nachweisen. In Zukunft möchten wir mit plasmonischen Wellenleitern komplexere nano-opto-elektronische Systeme und Bauteile, wie z.B. plasmonische Nanolaser mit zirkularer Emission, realisieren.

Ansprechpartner:
   Luka Zurak
   Patrick Pertsch

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Nano-Quantum-Optics

Nano-Quanten-Optik beschäftigt sich mit quanten-optischen Eigenschaften der Licht-Materie-Wechselwirkung in optischen Nanosystemen. Dabei sind Prozesse von besonderem Interesse bei denen sich die Gegenwart eines Photons im System merklich auf die Wechselwirkung eines zweiten Photons auswirkt. Solche Systeme könnten zu Transistoren führen, die sich mit einzelnen Photonen schalten lassen.

Vor kurzem ist es uns mithilfe von einzigartigen frei positionierbaren Gold-Nanostrukturen gelungen, erstmals Quantenpunkte bei Raumtemperatur stark zu koppeln und somit einzelne Lichtquanten in hybridisierten optischen Moden zu beobachten. Derzeit untersuchen wir weitere spannende Phänomene in diesen Systemen und charakterisieren auch neue Materialkombinationen.

Ansprechpartner:
   Daniel Friedrich
   Benedikt Schurr

Methoden

Fabrikation

Goldflakes sind die Basis unserer Nanostrukturen

Das Ausgangsmaterial für fast alle unserer Nanostrukturen sind ultradünne einkristalline Goldflakes. Das nasschemische Wachstum dieser Einkristalle wurde in unserer Gruppe begründet und optimiert, sodass bei einer Dicke von wenigen zehn Atomlagen immer noch laterale Ausdehnungen von bis zu 200 µm erreicht werden können. Durch die kristalline Homogenität kann eine hochpräzise Genauigkeit in der Strukturierung erreicht werden und die resultierenden Strukturen weisen sowohl hervorragende optische als auch elektrische Eigenschaften auf. Die Flocken selbst sind natürlich auch ein interessantes Forschungsobjekt.

Focused Ion Beam (FIB) Milling als Strukturierungsmethode

Zur Strukturierung der Goldflocken verwenden wir fokussierte Gallium-Ionenstrahlen, die auf die Goldoberfläche fokussiert werden können. Aufgrund des hohen Impulses der Gallium-Ionen werden dabei im Bereich des Fokus Goldatome aus dem Goldflake herausgeschlagen. Ähnlich wie mit einer Fräsmaschine können somit durch Abrastern der Oberfläche Nanostrukturen in beinahe beliebiger Form hergestellt. Neben Gallium-Ionen verwenden wir seit kurzem auch Helium-Ionen zur Strukturierung, welche aufgrund ihrer besseren Fokussierbarkeit und geringeren Streuung beinahe atomare Präzission bei der Herstellung unserer Strukturen ermöglichen.

Messungen

Elektrische Anregung von Nanostrukturen

Ein zentraler Bestandteil unserer Experimente ist die elektrische Ansteuerung der Nanostrukturen um Licht auf kleinstem Raum zu erzeugen, zu manipulieren und zu detektieren.

Dafür verwenden wir ein ausgeklügeltes Probenlayout bei dem die Zuleitungen schrittweise vom Nanometer- auf den Millimeterbereich aufgeweitet werden. Die Proben werden dann auf ein optisches Mikroskop gelegt und mittels Mikromanipulatoren elektrisch kontaktiert. Somit kann man z.B. gleichzeitig eine Spannung angelegen und Spektren des emittierten Lichts aufzeichnen.

Oberflächen-Untersuchung mittels Rasterkraftmikroskopie

Um die Oberflächeneigenschaften unserer Nanostrukturen besser zu verstehen verwenden wir extrem scharfe Spitzen, welche ähnlich wie eine Blindenstock über die Probe gerastert werden.

Durch dieses systematische Abtasten kann die Topografie nanometer-große Objekte präzise detektiert werden.  Weiterhin erlauben uns erweiterte Methoden nicht nur die Topografie, sondern auch die magnetischen und elektrischen Eigenschaften von Nanostrukturen zu vermessen, diese zu manipulieren oder mithilfe spezieller Spitzen Licht auf fast atomare Skala zu fokussieren.

Hochaufgelöste konfokale optische Mikroskopie

Für die Untersuchung der optischen Eigenschaften unserer Nanostrukturen stehen uns unterschiedliche, zum Großteil selbstgebaute, hochoptimierte Setups zur Verfügung.

Diese erlauben die Anregung der Strukturen mittels Laser- oder Weißlicht, so dass zum einen hochauflösende Bildgebung aber auch optische Spektroskopie möglich ist. Somit können wichtige Eigenschaften, wie etwa die optischen Resonanzen der Strukturen genau bestimmt oder zum Beispiel die Photonenstatistik von Quantenemittern ermittelt werden.

Simulationen

Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Simulationen

Realistische numerische Simulationen sind für uns ein wesentliches Hilfsmittel, da auf diese Weise die recht teure Herstellung von Nanostrukturen effizient geplant werden kann. Wir nutzen zwei komplementäre Methoden.

Die Erste beruht auf der Diskretisierung des Raumes durch ein festes Gitter auf welchem dann die Maxwell-Gleichungen gelöst werden. Mit Hilfe eines kommerziellen Softwarepakets können wir so Spektren, Feldverteilungen und Abstrahlcharakteristiken vorhersagen und optimieren. Diese Methode ist besonders für komplexe Geometrien und Probleme in der Zeit-Domäne geeignet.

Simulationen mit der Boundary-Element Methode (BEM)

Die zweite Methode beruht auf der Diskretisierung der Oberfläche anstelle des gesamten Volumens. Es werden dort die Flächenladungen und – ströme ermittelt, aus denen sich dann die elektromagnetische Feldverteilung im ganzen Volumen ergibt. Diese Methode ist sehr schnell und für die Modellierung von weniger ausgedehnten Geometrien mit gekrümmten Oberflächen geeignet.

Beide Methoden helfen uns die Performance unserer Nanostrukturen zu erhöhen, bestmögliche Geometrien für Experimente zu bestimmen und neuartige Effekte zu erforschen.