Graphen-Schalter steuert Strahlung

  • 27. November 2015

Hybrides Metamaterial kann elektromagnetische Wellen über breites Spektrum kontrollieren.

Zwei Experimentalphysik-Gruppen der Universität Exeter und der ETH Zürich berichten zusammen mit einer Theorie-Gruppe der Universität Augsburg über das Design und die Untersuchung eines neuen hybriden Metamaterials, das spezifische Eigenschaften mit hohem Anwendungspotential besitzt, die natürliche Materialien nicht aufweisen. Die Physiker kombinierten Nanobänder von Graphen mit einem sogenannten Spaltring-Resonator, einer speziellen Form einer metallischen Antenne. Die gesamte Struktur liegt auf einem Siliziumdioxid-Substrat, das auf der Rückseite metallisch beschichtet ist. Graphen-Elektronen sind in der Lage, über die Nano-Bänder hinweg Plasma-Schwingungen zu erzeugen. Auch die Elektronen des Spaltring-Resonators schwingen mit ihrer Eigen-Frequenz.

Abb.: Die Hybrid-Metamaterialstruktur besteht aus einer Anordnung von Spaltring-Resonatoren aus Gold in Kombination mit Nanobändern von Graphen, die zwischen den metallischen Elementen liegen. (Bild: I. Luxmoore/U. Exeter)

Abb.: Die Hybrid-Metamaterialstruktur besteht aus einer Anordnung von Spaltring-Resonatoren aus Gold in Kombination mit Nanobändern von Graphen, die zwischen den metallischen Elementen liegen. (Bild: I. Luxmoore/U. Exeter)


Diese zwei Arten von Schwingungen wechselwirken miteinander, wobei sich die Intensität ihrer Wechselwirkung durch die Spannung zwischen den Graphen-Nanobändern und dem Metallkontakt auf der Rückseite des Siliziumdioxid-Substrats steuern lässt. Durch die auf diese Weise erzielbare starke Wechselwirkung zwischen den erzeugten Plasmaschwingungen und der äußeren elektromagnetischen Strahlung kann dieses System als eine Art Schalter fungieren, mit dem sich eine elektromagnetische Welle sehr schnell ein- und ausschalten lässt.

Die Funktionsweise dieses Schalters haben die Forscher für Frequenzen von einigen Terahertz demonstriert. Die entsprechenden Strahlungswellen sind sehr lang, weit länger als solche, die das menschliche Auge sehen kann. Ein wichtiges Merkmal der neuen Struktur ist, dass sie diese elektromagnetischen Strahlen in einem Bereich bündeln kann, der viel kleiner ist als die Wellenlängen. „Wir sehen darin eine wesentliche Voraussetzung und realistische Möglichkeit für die Entwicklung neuartiger spektroskopischer Methoden mit ultrahoher Auflösung", erläutert Sergey Mikhailov von der Universität Augsburg.

Auch darüber hinaus haben die Ergebnisse der Forschergruppen das Potential, die Grundlage für eine Reihe weiterer technologisch wichtiger Komponenten zu sein. So ist die Entwicklung einer völlig neuen Laserquelle für viele verschiedene Anwendungen etwa in der Sicherheitstechnik, der Medizin, der Telekommunikation oder der Gas-Sensorik das übergeordnete Ziel des europäischen GOSFEL-Projekts (Graphene on Silicon Free Electron Laser), in dessen Rahmen Mikhailov und Kollegen ihre aktuellen Ergebnisse erarbeitet haben.

Die Gruppe um Mikhailov am Augsburger Lehrstuhl für Theoretische Physik II arbeitet zugleich auch an Graphen-Flagschiffprojekt, einem weiteren großen europäischen Forschungsprogramm mit, in dessen Rahmen sie nicht-lineare elektrodynamische Eigenschaften von Graphen untersucht, um die Voraussetzungen für die Verwendung von Graphen in verschiedenen elektronischen und optoelektronischen Bauteilen zu schaffen.

U. Augsburg / PH

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