Ein Team von Physikern der TU Graz, Harvard SEAS und der University of Texas at Austin hat ein Nanoskalengerät demonstriert, das die nichtlineare Frequenzkonvertierung — den Prozess der Umwandlung von Licht in andere Frequenzen — um drei Größenordnungen gegenüber einer unstrukturierten Heterostruktur steigert.
In Nature Nanotechnology veröffentlicht, kombiniert die Arbeit zwei Metamaterialien: eine Halbleiter-Heterostruktur aus nanoskaligen Schichten aus Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid mit asymmetrisch gekoppelten Quantenwöllen, gekrönt von einer Metaoberfläche aus Titandioxid-Nanopfeilern.
Die Quantenwöllen begrenzen Elektronen in einer Dimension und zwingen ihre Energie in diskrete Quantenzustände. Da die Wöllen asymmetrisch gekoppelt sind, bewegen sich Elektronen bei Lichtexposition hauptsächlich in eine Richtung und erzeugen verstärkte nichtlineare Schwingungen, die es Lichtwellen ermöglichen, weitaus effizienter zu interagieren als in natürlich vorkommenden Kristallen.
Die Metaoberfläche erzeugt präzise die für die Ablenkung einfallenden Lichts erforderliche Polarisation, sodass es entlang der 'Einbahnstraße' gestreut wird und Licht-Materie-Wechselwirkungen weiter verstärkt. Bei Experimenten entdeckte das Team, dass bei exakter Normaleneinfall die verstärkte nichtlineare Polarisation sich vollständig aufhob. Eine Kippung der Probe um nur 0,3 Grad brach diese Symmetrie und stellte die Verstärkung wieder her.
Die resultierende effektive nichtlineare Konversion ist drei Größenordnungen höher als bei einer unstrukturierten Heterostruktur und übertrifft bisher gemeldete Werte für vergleichbare Nah-Infrarot-Geräte. Mögliche Anwendungen umfassen kompaktere Telekomponenten, Quantenkommunikations-Photonenpaarquellen und ultraschnelle optische Signalverarbeitung.
