Chalmers-Forscher kombinieren zwei Photonik-Bereiche in Nanodiskus

Forscher an der Technischen Universität Chalmers haben erfolgreich zwei zentrale Forschungsbereiche der Photonik – nichtlineare und hochbrechende Nanophotonik – in ein einziges scheibenförmiges Nanoobjekt integriert. Diese Errungenschaft wird voraussichtlich die Photonikforschung vorantreiben und neue optische Anwendungen ermöglichen.

Photonische Anwendungen, die Licht-Materie-Interaktionen nutzen, sind entscheidend für Technologien in der Kommunikation, Medizin und in Lasersystemen. Die Entwicklung von Nanodiskussen zielt darauf ab, die Leistung dieser Technologien zu verbessern. Der von den Forschern entwickelte Nanodiskus ist kleiner als die Wellenlänge des Lichts, fungiert jedoch als äußerst effizienter Umwandler von Lichtfrequenzen und weist eine bis zu 10.000-fache höhere Effizienz als unstrukturierte Materialien auf.

Die Forschung nutzte Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMD), insbesondere Molybdändisulfid, ein atomar dünnes Material mit außergewöhnlichen optischen Eigenschaften bei Raumtemperatur. Eine zentrale Herausforderung bestand darin, die nichtlinearen Eigenschaften des Materials während der Herstellung zu bewahren, da es empfindlich auf Einschränkungen der Kristallsymmetrie reagiert. Die Chalmers-Forscher haben eine Methode entwickelt, um den Nanodiskus herzustellen und dabei diese Eigenschaften zu erhalten und sogar zu verstärken.

Der neue Nanodiskus kombiniert extreme Nichtlinearität mit einem hohen Brechungsindex in einer kompakten Struktur. Die Forscher geben an, dass dieses Material und Design "State-of-the-Art" darstellen und für die Industrie attraktiv sein könnten. "Es ist wirklich ein Meilenstein, insbesondere aufgrund der extrem kleinen Größe der Scheibe", sagt Professor Timur Shegai. Herkömmliche Plattformen, die diese Phänomene nutzen, sind typischerweise zentimetergroß, während der Nanodiskus nur etwa 50 Nanometer misst.

Diese Entwicklung wird voraussichtlich die Forschung im Bereich der nichtlinearen Nanophotonik vorantreiben und zukünftige Experimente sowohl in der Quanten- als auch in der klassischen Photonik ermöglichen. Durch die Nanostrukturierung dieses einzigartigen Materials können die Abmessungen optischer Geräte drastisch reduziert und ihre Effizienz gesteigert werden, was zu Anwendungen in der nichtlinearen Optik und der Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren führen kann.