ERC-Grant: Functional extreme nonlinear nanomaterials

Das Verst?ndnis nichtlinearer optischer Eigenschaften von zweidimensionalen Halbleitern und ihrer Heterostrukturen ist für ein erfolgreiches Design und die Herstellung von nanophotonischen Bauteilen unerl?sslich. Insbesondere für rein photonische Elemente, die nur mit Licht funktionieren, müssen nichtlineare Eigenschaften pr?zise gesteuert und mit ausgefeilten Funktionalit?ten kombiniert werden. Solche Funktionalit?ten k?nnen durch nanostrukturierte Materialien entstehen, die auch als Meta-Oberfl?chen oder Metamaterialien bezeichnet werden. Die durch Metamaterialien induzierten lokalen elektromagnetischen Felder k?nnen einige Gr??enordnungen über dem des externen Beleuchtungsfelds liegen. Das vom ERC durch den Consolidator Grant ?NONLINMAT“ finanzierte Projekt konzentriert sich auf die Kombination der deutlich verst?rkten elektromagnetischen Felder aus nanostrukturierten Metamaterialien mit Halbleiterquantenstrukturen in Galliumnitrid und atomar dünnen ?bergangsmetalldichalkogeniden, wie Monolagen aus Wolfram- oder Hafnium -Disulfid (auch als 2D-Material bezeichnet).

Im Unterschied zu den herk?mmlichen halbleitenden Volumen- und Quasi-2D-Materialien, verbessern die Einschr?nkung der Quantenzust?nde und die reduzierte dielektrische Abschirmung in 2D-Halbleitern die Wechselwirkungen zwischen den Quasiteilchen und führen zu hohen Exziton-Bindungsenergien, bei denen Vielk?rpereffekte berücksichtigt werden müssen. In einem solchen System von 2D-Halbleitern werden Untersuchungen der Vielteilchenphysik zu einem sehr spannenden Forschungsfeld, um die Grundlagen der Quantenmechanik zu erforschen. Es k?nnen insbesondere unkonventionelle exzitonische Quasiteilchen hoher Ordnung wie Trionen und Biexzitonen existieren, und die verst?rkten elektromagnetischen Felder der Laseranregung k?nnen zur Beobachtung dieser Quasipartikel beitragen und die zugrunde liegenden Vielteilcheneffekte aufdecken. Andererseits k?nnen nichtlinear-optische Eigenschaften von nanostrukturierten Metamaterialien durch atomar dünne 2D-Materialien moduliert werden. Die lokalisierten Oberfl?chenresonanzen von Nanostrukturen treten dabei an den Metall-2D-Halbleiter-Grenzfl?chen auf. Darüber hinaus kann durch Anpassen der Frequenzb?nder der Nanostrukturen, die mit den Emissionsb?ndern des 2D-Materials überlappen, die resonante Kopplung von Emissionsb?ndern zu einer neuen Physik führen, wie etwa speziell polarisierten Oberfl?chenplasmonen.

Das Projekt untersucht den Einfluss selektiver Kopplungsmechanismen basierend auf Symmetrieaspekten der Nanostrukturen und der Gittersymmetrie der 2D-Materialien. Der Fokus liegt dabei auf der Verbesserung nichtlinearer optischer Effekte und der Kontrolle der Eigenschaften mit reinem Licht. Die Ergebnisse werden zu einem tieferen Verst?ndnis der Kopplungsmechanismen zwischen künstlich hergestellten Nanostrukturen und natürlichen Materialsystemen führen. Andererseits kann die verbesserte Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu kleineren und effizienteren rein optischen Ger?ten für zukünftige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung führen.

Dieses Projekt wird vom Europ?ischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europ?ischen Union (F?rdervereinbarung Nr. 724306) gef?rdert.