Forschung & Entwicklung

Verstärkte Lichtemission

Weltweit laufen intensive Bemühungen, die Wechselwirkung von Licht und Materie zu optimieren. Nun konnte gezeigt werden, wie Nanoantennen die Lichtemission erhöhen.

Die Wechselwirkung von Licht und Materie zu optimieren, gelingt besonders gut, wenn das Lichtfeld in kleinen räumlichen Bereichen konzentriert und verstärkt werden kann, zum Beispiel in sogenannten Nanoresonatoren oder Nanoantennen. Dies sind Gebilde mit zwei Zylindern mit einem Radius von jeweils einem 500 nm und einer Höhe von 200 nm. Sie sind so geformt, dass sie einen kleinen Zwischenraum mit Abmessungen bis hinab zu wenigen Milliardstel Metern bilden, in dem das Lichtfeld gefangen wird.

Im letzten Jahrzehnt ist es gelungen, solche Resonatoren mit hoher Präzision aus Metallen herzustellen. In kleinen, gezielt geformten Zwischenräumen im Metall wird das Lichtfeld zwar verstärkt, gleichzeitig wird es aber im Metall selbst stark gedämpft, ähnlich dem elektrischen Widerstand bei Stromtransport in Metallen. Die daraus resultierenden Verluste stellen eine beträchtliche Einschränkung für praktische Anwendungen dar.

Einem deutsch-britischen Forscherteam ist es nun gelungen, solche Antennen aus einem Material – Galliumphosphid – aufzubauen, in dem diese Verluste komplett unterdrückt werden. Die erhöhte Licht-Materie-Wechselwirkung konnte dadurch gezeigt werden, dass eine Lichtquelle, eine einatomige Lage von Wolframdiselenid, in die Antenne eingebracht wurde. Dabei konnten die Forscher zeigen, dass die Lichtemission aus diesem Material im Vergleich zur Emission ohne Antenne erheblich anwächst. Das Team der TU Dortmund hat zu den Untersuchungen mit zeitaufgelösten Messungen beigetragen und dabei gezeigt, dass die Lichtemission drastisch beschleunigt wird und damit elektrische Energie besonders effizient in Licht umgewandelt werden kann. Diese Experimente waren Teil einer neuen Kooperation zwischen der Universität Sheffield und der TU Dortmund, die die nächsten vier Jahre mit 1,4 Millionen Pfund vom britischen Forschungsrat Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) unterstützt wird.

von mn

Originalveröffentlichung:

[Sortino et al., Enhanced light-matter interaction in an atomically thin semiconductor coupled with dielectric nano-antennas, Nat. Commun. 10 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-12963-3]

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