Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung nanostrukturierter Materialien, in denen die Wechselwirkung optischer Nahfelder und unordnungsinduzierte Fluktuationen lokaler elektromagnetischer Felder in optimaler Weise zur Schaffung neuartiger photonischer Funktionalität genutzt werden. Während die Natur ungeordnete Nanomaterialien für Schmetterlingsfarben nutzt haben wir Menschen erst kürzlich gelernt, metallische Nanostrukturen zur Detektion einzelner Moleküle einzusetzen. Systematische Untersuchungen zur Optimierung der Unordnung mit dem Ziel der maximalen Ankopplung lokaler elektromagnetischer Felder an geeignete Quantenemitter (Laserfarbstoffe, J-Aggregate, Halbleiter-Quantenpunkte,…) fehlen fast vollständig, obwohl große Fortschritte im Bereich der Nanomaterialien, der optischen Spektroskopie und der Theoretischen Festkörperphysik die Voraussetzungen geschaffen haben. Für dieses Projekt haben sich Wissenschaftler aus allen drei Bereichen zusammengefunden, um (i) lokale elektromagnetische Feldfluktuationen durch gezielte Optimierung der Unordnung in speziell ausgesuchten quasi-zwei- und dreidimensionalen metallischen und dielektrischen Nanostrukturen maximal zu verstärken und (ii) Quantenemitter so einzufügen, dass deren optische Nichtlinearität neue photonische Funktionalität liefert. Wir erwarten, dass dieser Ansatz inhärent robuste Systeme liefert: Falls variierende Umweltparameter die Resonanz eines bestimmten Paars aus Emitter und lokaler elektromagnetischer Mode zerstört, wird dieses durch ein anderes äquivalentes Paar kompensiert.
Das Projekt fokussiert auf drei Klassen ungeordneter Systeme: (i) dichte Felder von Nanonadeln aus durchsichtigen Oxid- und Nitrid-Halbleitern, (ii) perkolierende Metallfilme mit Poren und Inseln im Nanometerbereich und (iii) nanoporöse Gold-Nanopartikel aus zweiphasigen Legierungen. Diese Proben werden mit optisch nichtlinearen Materialien beschichtet oder infiltriert.
Neben dem Design möglicherweise sogar ökonomisch relevanter photonischer Materialien erwarten wir, dass das Projekt zu einem vertieften Verständnis der Licht-Materie Wechselwirkung auf der Nanoskala, der Physik der unordnungsinduzierten Licht- und Plasmonlokalisierung und – genereller – von fluktuationsdominierten Systemen führt. Wir planen, die Zeitstruktur einzelner lokalisierter elektromagnetischer Moden in Oldenburg in Echtzeit zu vermessen und deren räumliche Struktur mit 20-nm Auflösung abzubilden. Die theoretische Analyse basiert auf der Expertise der Ilmenau-Gruppe auf den Gebieten der Anderson-Lokalisierung und Exziton-Plasmon-Kopplung. Materialien mit maßgeschneiderter Unordnung werden durch Ilmenauer Werkstoffwissenschaftler zur Verfügung gestellt. Eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit und kontinuierliches Feedback zwischen den beteiligten Wissenschaftlern ist essentielle Grundlage für die Schaffung von Materialien mit maßgeschneiderter Unordnung und neuer oder zumindest verbesserter photonischer Funktionalität.
