Forschung

Asymmetrische Nanowellen

25.02.2022 - Optische Scherkräfte führen in Kristallen mit geringer Symmetrie zu neuartigem Phänomen.

Eine neue Art von Nanowelle, die in Kristallen mit geringer Symmetrie aufgrund von optischen Scherkräften entsteht, hat ein inter­nationales Forschungs­team nach­ge­wiesen. Die Ergebnisse bieten neue Möglich­keiten für kompakte optische Techno­logien, die neue Wege zur Licht­lenkung oder zur optischen Speicherung von Infor­ma­tionen erlauben.

In der Regel benutzt man verschiedene Materialen zur Herstellung optischer Komponenten mit unter­schied­licher Funktion wie zum Beispiel Anti-Reflex-Beschich­tungen oder Linsen. Insbesondere Kristalle mit asymme­trischer Struktur sind dabei sehr nützlich, da Licht sich dort auf ungewöhn­liche Art ausbreitet, was neue optische Phänomene ermöglicht. Allerdings sind noch nicht alle Arten von Kristallen für photonische Anwendungen erforscht worden. Das Forscherteam hat monokline Beta-Gallium-Oxide untersucht. Die monokline Kristall­klasse war bisher für derartige Studien unbeachtet geblieben. Die Wissen­schaftler fanden heraus, dass diese Kristalle Scherkräfte auf Licht ausüben, das sich entlang ihrer Oberfläche ausbreitet.

„Mit der Infrarot­strahlung des Freie-Elektronen-Lasers unseres Instituts konnten wir mit unseren Experimenten Spektral­bereiche erschließen, die sonst sehr schwer zugänglich sind“, erklärt Alexander Paarmann vom Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft. „Die Struktur der in unseren Unter­suchungen verwendeten monoklinen Kristallen sieht aus wie ein verzerrter Quader, bei dem vier von sechs Seiten rechteckig und zwei gekippte Parallelo­gramme sind.“ Durch diese Verzerrung laufen die neuen Scherwellen nicht nur sehr gerichtet über die Kristall­ober­fläche, sondern sind auch nicht mehr spiegel­symmetrisch. „Dank der hyper­bolischen Abhängig­keit ihres Wellen­vektors von der Ausbreitungs­richtung können wir diese Wellen in winzige Volumina zwängen“, so der Forscher weiter.

Diese hyper­bolischen Scher­polari­tonen entstehen durch die Kopplung von Infra­rot­licht an Gitter­schwingungen, also Phononen, an diesen Kristallen. Im Gegensatz zu früheren Beobachtungen von hyper­bolischen Phonon-Polaritonen in Kristallen mit symmetrischer Struktur entdeckte das Team neue Eigen­schaften der Scher­polari­tonen: Ihre Ausbreitungs­richtung hängt von der Infrarot-Wellen­länge ab, und ihre Wellen­fronten sind geneigt. Für diese neuen Eigen­schaften sind optische Scherkräfte verant­wort­lich, die aus­schließ­lich durch die niedrigere Kristall­symmetrie und die damit verbundene Ausrichtung der Gitter­schwingungen entstehen. Daher spielt die Kristall­symmetrie hier eine funda­mentale Rolle.

„Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse neue Wege für die Polari­tonen­physik in Materialien mit geringer Symmetrie eröffnen, zu denen viele geologische Mineralien und organische Kristalle gehören“, sagt Paarmann. Dadurch wird die Auswahl an Materialien für die techno­logische Entwicklung deutlich größer, was die Design­möglich­keiten für kompakte photonische Komponenten erheblich verbessern wird. Dies bedeutet einen großen Schritt nach vorne für die Miniatu­ri­sierung optischer Schaltungs­kreise in zukünftigen nano­photonischen Techno­logien.

FHI / RK

Weitere Infos

 

Webinar: Thermische Modellierung von Lasern in Fertigungsprozessen

Dienstag, 11.10.2022
14:00 Uhr CEST

Zur Registrierung

Webinar: Thermische Modellierung von Lasern in Fertigungsprozessen

Dienstag, 11.10.2022
14:00 Uhr CEST

Zur Registrierung