Nanophysik: Eine Frage der Resonanz

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Resonanzen werden in der Regel mit endlichen Systemen in Verbindung gebracht, beispielsweise mit den Schwingungen eingespannter Gitarrensaiten oder den optischen Moden in einem von Spiegeln begrenzten Hohlraum. In der Optik können Resonanzen in unendlichen, kontinuierlichen Medien durch periodische Modulationen ihrer optischen Eigenschaften hervorgerufen werden. In einer im Fachmagazin Light: Science & Applications veröffentlichten Studie zeigt das Team um LMU-Nanophysiker Andreas Tittl, dass periodische Modulationen der Durchlässigkeit eines strukturlosen Dünnfilms auch als Symmetriebrechungsmechanismus fungieren können, der die Anregung von photonischen quasi-gebundenen Zuständen im Kontinuum (qBICs) ermöglicht. Durch die Interferenz zweier ultrakurzer Laserpulse im unbeschränkten Film lassen sich Resonanzen durch unterschiedliche Parameter der Pumpstrahlen der Laserpulse maßgeschneidert abstimmen.

Neue Anwendungen möglich

Die Manipulation von Materie in Größenordnungen, die mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar sind, hat eine Fülle neuer Funktionalitäten ermöglicht. Es ist zu erwarten, dass derart hergestellte Bauelemente eine zentrale Rolle in so unterschiedlichen Bereichen wie der sauberen Energieerzeugung, der Sensorik und der photonischen Datenverarbeitung spielen werden – einige tun dies bereits. Trotz Optimierungen sind die Herstellungsmethoden immer noch zeitaufwändig und teuer.

Optische Kontrolle

Ein Problem dabei: Sobald die Größe der Bauelementkomponenten definiert ist, ist auch der Anteil des interagierenden elektromagnetischen Spektrums festgelegt. „Wir zeigen nun, wie starke und exakt abgestimmte optische Resonanzen in einem dünnen Silizium-Film – dem wichtigen, zunächst unbeschriebenen Ausgangselement in der Halbleiterindustrie – erzeugt werden können“, sagt Rodrigo Berté, Erstautor der Studie.

Dies erreichen die Forschenden optisch über eine Asymmetrie in der Durchlässigkeit des Films. „Im Prinzip können starke Reaktionen sogar mit vernachlässigbaren Asymmetrien hervorgerufen werden“, sagt Berté. „Mit unserer optischen Kontrolle über die Symmetrien können wir einige der kostspieligen Herstellungsprozesse und ihre Bandbreitenbeschränkungen umgehen.“

Rodrigo Berté, Andreas Tittl et al.: All-optical permittivity-asymmetric quasi-bound states in the continuum, Light: Science & Applications, 2025.