Ein Forschungsteam unter der gemeinsamen Leitung von Professor Zhang Shuang, Interimsleiter der Fakultät für Physik an der Universität Hongkong, und Professor Dai Qing vom Nationalen Zentrum für Nanowissenschaften und Technologie Chinas hat eine Lösung für ein häufiges Problem auf dem Gebiet der Nanophotonik vorgeschlagen – die Untersuchung von Licht in extrem kleinen Maßstäben. Ihre Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Nature-Materials“ veröffentlicht und sie schlugen eine synthetische komplexe Frequenzwellenmethode (CFW) vor, um das Problem des optischen Verlusts bei der Polaronenausbreitung zu lösen.
Diese Erkenntnisse liefern praktische Lösungen wie den Einsatz effizienterer lichtbasierter Geräte in Geräten wie Computerchips und Datenspeichergeräten, um eine schnellere und kompaktere Datenspeicherung und -verarbeitung zu ermöglichen und die Genauigkeit von Sensoren, Bildgebungstechnologie und Sicherheitssystemen zu verbessern.
Oberflächenplasmonpolaritonen und Phononpolaritonen bieten dank ihrer Fähigkeit, Licht auf kleine Maßstäbe zu beschränken, die Vorteile einer effizienten Energiespeicherung, einer lokalen Feldverstärkung und einer hohen Empfindlichkeit. Ihre praktische Anwendung wird jedoch durch das Problem ohmscher Verluste erschwert, die bei der Wechselwirkung mit natürlichen Materialien zu Energieverlusten führen.
Diese Einschränkung hat in den letzten drei Jahrzehnten die Entwicklung der Nanophotonik für Sensorik, Ultrabildgebung und nanophotonische Schaltkreise behindert. Die Überwindung ohmscher Verluste wird die Geräteleistung erheblich verbessern und dadurch die Entwicklung von Sensortechnologien, hochauflösender Bildgebung und fortschrittlichen nanophotonischen Schaltkreisen ermöglichen.
Professor Zhang Shuang, der entsprechende Autor des Artikels, erläuterte den Schwerpunkt der Forschung: „Um das Problem des optischen Verlusts in Schlüsselanwendungen zu lösen, haben wir eine praktische Lösung vorgeschlagen. Durch die Verwendung einer neuartigen synthetischen komplexen Wellenanregung können wir eine virtuelle Verstärkung erzielen, um den intrinsischen Verlust des Polaritonsystems auszugleichen. Um diese Methode zu verifizieren, haben wir sie auf das Phonon-Polariton-Ausbreitungssystem angewendet und eine signifikante Verbesserung der Polariton-Ausbreitung beobachtet.“
„Wir haben diese Methode demonstriert, indem wir Experimente im optischen Frequenzbereich mit Phonon-Polariton-Materialien wie Borhydrid und Molybdänoxid durchgeführt haben. Wie erwartet haben wir nahezu verlustfreie Ausbreitungsentfernungen erhalten, was mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt“, fügte Dr. Guan Fuxin, Erstautor der Arbeit und Postdoktorand am Fachbereich Physik der Universität Hongkong, hinzu.
Mehrfrequenzansatz zur Überwindung optischer Verluste
In dieser Studie entwickelte das Forschungsteam eine neuartige Mehrfrequenzmethode, um das Problem des Energieverlusts bei der Polaronausbreitung zu lösen. Sie nutzten einen speziellen Wellentyp namens „Welle mit komplexer Frequenz“, um eine virtuelle Verstärkung zu erzielen und Verluste im optischen System auszugleichen. Gewöhnliche Wellen behalten über die Zeit eine konstante Amplitude oder Intensität bei, während komplexe Frequenzwellen sowohl Oszillation als auch Verstärkung aufweisen. Diese Funktion ermöglicht eine vollständigere Darstellung des Wellenverhaltens und gleicht Energieverluste aus.
Obwohl die Häufigkeit normalerweise als reelle Zahl behandelt wird, hat sie auch einen Imaginärteil. Dieser Imaginärteil sagt uns, wie die Welle mit der Zeit stärker oder schwächer wird. Komplexe Frequenzwellen mit negativen (positiven) Imaginärteilen zerfallen (verstärken) mit der Zeit. Die direkte Durchführung von Messungen unter komplexer Frequenzwellenanregung in der Optik stellt jedoch eine Herausforderung dar, da hierfür komplexe Zeitmessungen erforderlich sind. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, verwendeten die Forscher das mathematische Werkzeug der Fourier-Transformation, das eine abgeschnittene komplexe Frequenzwelle (CFW) in Komponenten mit unabhängigen Frequenzen zerlegt.
So wie man beim Kochen eine bestimmte Zutat benötigt, die schwer zu finden ist, verfolgten die Forscher eine ähnliche Denkweise. Sie zerlegen komplexe Frequenzwellen in einfachere Zutaten, beispielsweise durch die Verwendung von Ersatzzutaten in einem Rezept. Jede Komponente repräsentiert einen anderen Aspekt der Frequenzwelle. Es ist, als würde man ein köstliches Gericht zubereiten, indem man Ersatzzutaten verwendet, um den gewünschten Geschmack zu erhalten. Indem sie diese Komponenten bei unterschiedlichen Frequenzen maßen und die Daten kombinierten, rekonstruierten sie das Verhalten des Systems unter Einwirkung komplexer Frequenzwellen. Dies hilft ihnen, Energieverluste zu verstehen und auszugleichen. Dieser Ansatz vereinfacht den praktischen Einsatz von CFW in verschiedenen Anwendungen, einschließlich Polaritonenausbreitung und Hyperimaging, erheblich. Durch optische Messungen bei verschiedenen realen Frequenzen in festen Intervallen kann die optische Reaktion des Systems bei komplexen Frequenzen konstruiert werden. Dies kann durch mathematische Kombination der bei verschiedenen realen Frequenzen erhaltenen optischen Reaktionen erreicht werden.
Ein weiterer korrespondierender Autor des Papiers, Professor Dai Qing vom National Center for Nanoscience and Technology, wies darauf hin, dass diese Arbeit eine praktische Lösung für das seit langem bestehende Lichtverlustproblem in der Nanophotonik bietet. Er betonte die Bedeutung des synthetischen komplexen Frequenzansatzes und stellte fest, dass er problemlos auf verschiedene andere Anwendungen wie molekulare Sensorik und nanophotonische integrierte Schaltkreise angewendet werden könne. Er betonte weiter: „Diese Methode ist bemerkenswert und universell anwendbar, da sie auch zur Lösung von Verlustproblemen in anderen Wellensystemen, einschließlich akustischen Wellen, elastischen Wellen und Quantenwellen, eingesetzt werden kann, wodurch die Bildqualität auf ein beispielloses Niveau verbessert wird.“
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily