Super-Schwingung: Physiker der Uni Graz überwinden Grenze der Lichtstreuung im Nanobereich. Vielversprechende Aussichten für Sensorik und Halbleiter-Industrie

Ein Silizium-Nanopartikel (roter Zylinder) wird mit Laserlicht beleuchtet (lila Pfeil). Infolge der Superstreuung lenkt das Nanopartikel einen großen Teil des einfallenden Laserlichts in mehrere Richtungen um (weiße Pfeile). Bild: Adrià Canós Valero

Licht auf Nanometerskala gezielt steuern zu können, ist die Voraussetzung für viele technologische und wissenschaftliche Anwendungen in der Sensorik und Halbleiter-Industrie, in der Telekommunikation und der Biotechnologie. Bei all diesen Verfahren spielt die Streuung des Lichts an Nanopartikeln aus Metallen oder Halbleitern eine entscheidende Rolle. Allerdings gibt es eine physikalische Grenze, die die Lichtstreuung und damit die Effizienz von Anwendungen beschränkt: die sogenannte Einzelkanalschranke. Physiker der Universität Graz haben nun in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team aus Forschenden herausgefunden, wie sich diese Grenze überschreiten lässt. Damit eröffnen sich neue technologische Möglichkeiten.

„Wir haben einen Mechanismus entdeckt, der Nanopartikel zu Super-Streuern macht“, berichtet Adrià Canós-Valero, Erstautor der Publikation, die im Forschungsjournal Nature Communications erschienen ist. „Entscheidend sind Form und Dimensionen der Teilchen. Wenn ein Laser auf ein Nanopartikel trifft, wird ein Teil des Lichts gestreut. Indem Partikel mit bestimmter Größe und Form konzipiert werden, lassen sich die Eigenschaften des Lichts – das heißt, wie viel in welche Richtungen und bei welchen Wellenlängen gestreut wird – kontrollieren und steuern.“

Die Inspiration kam aus einer unerwarteten Quelle. „Es gibt auch Nanostrukturen, in denen Licht gefangen bleibt und nicht gestreut wird. „Wir haben herausgefunden: Wenn wir solche Strukturen durch Veränderungen von Größe und Form brechen und das Licht freilassen, entsteht eine neue Art von Resonanz – eine Schwingung, die Licht besonders stark streut, sogar über die Einzelkanalschranke hinaus. Wir nennen solche Schwingungen Super-Dipol-Resonanzen“, erklärt Thomas Weiss, Leiter der Arbeitsgruppe Theoretische Nanophysik an der Universität Graz.
In einem Experiment mit Mikrowellen haben die Forschenden die Funktionsweise super-streuender Nanopartikel bereits nachgewiesen. Demnächst soll das auch mit sichtbarem Licht gelingen.

Publikation
Superscattering Emerging from the Physics of Bound States in the Continuum
Adrià Canós Valero, Hadi K. Shamkhi, Anton S. Kupriianov, Vladimir R. Tuz, Thomas Weiss, Alexander A. Pavlov, Dmitrii Redka, Vjaceslavs Bobrovs, Yuri Kivshar and Alexander S. Shalin
Nature Communications
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40382-y

Gudrun Pichler

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