Magnetoinduktive Kopplung und laterale Propagation optischer Anregungen in Metamaterial–Ketten auf der Nanometer–Skala

Das Ziel dieses Kapitels ist die Untersuchung der Anregung und Ausbreitung magnetischer Moden in plasmonischen Nanostrukturen. Dabei soll im Detail untersucht werden, wie magnetoinduktive Kopplung benachbarte plasmonische Nanostrukturen zusammen koppeln kann, und ob dieser neuartige Kopplungsmechanismus zur effektiven Ausbreitung dienen kann. Zum Einsatz kommen zum einen nanolithographische Herstellungsmethoden und lineare optische Spektroskopie in Stuttgart, sowohl mit linearen als auch mit azimuthal und radial polarisierten Feldern, zum anderen die Nahfeldmikroskopie in Tübingen mit linear und radial polarisierten Feldern. Dabei sind sowohl die theoretische Beschreibung, die Herstellung, und die experimentelle Vermessung der spektralen und der ortsaufgelösten Eigenschaften eine Herausforderung.

Im Gegensatz zu unseren ursprünglichen Erwartungen gestaltete sich die experimentelle Realisation von Split-Ring Resonatoren als höchst herausfordernd. Um diesem Hindernis zu begegnen, haben wir einen Alternativansatz entwickelt, der sich in jeder Hinsicht als äußerst fruchtbar erwiesen hat. Nicht nur im direkten Zusammenhang mit den Nahefeld- und Propagationsmessungen in Tübingen sondern auch im Bezug auf ihre linearen optischen Eigenschaften konnten wir sehr schöne Ergebnisse mit so genannten plasmonischen Oligomerringen, wie z.B. Hexameren und Heptameren, erzielen. Da ihre fundamentale Plasmonen-Resonanz leicht zu 633 nm gelegt werden kann, wurden Messungen mit Hilfe des Tübinger Nahfeldmikroskop mit einem Hoch-NA Parabolspiegel ermöglicht. Die einzelnen Nanopartikel der Ringe koppeln und formieren kollektive Moden, sowohl elektrischer als auch magnetischer Natur, ähnlich den Moden in Split-Ring Resonatoren. Durch ihre Ring-Form sind die Strukturen perfekt auf die radialen und azimuthalen Polarisationszustände angepasst. Dadurch sind wir in die Lage versetzt, die fundamentalen und Grundmoden der Strukturen erstmalig anregen zu können, da eine Anregung dieser Moden mit linear polarisiertem Licht unmöglich ist. Wir konnten die Nahfelder der Strukturen unter radialer und azimuthaler Beleuchtung ausmessen sowie simulieren, eine Tatsache, die einen signifikanten Fortschritt im Verständnis der Wechselwirkung komplexer plasmonischer Strukturen mit diesen ungewöhnlichen Polarisationszuständen bedeutet. Ebenfalls haben wir erste Messungen zu magnetischer Plasmonpropagation auf Ketten dieser Oligomer-Ringe erzielt. Auch wenn dieser Teilaspekt weiterer Verbesserung in Experiment wie in Fabrikation bedarf, sind die ersten Ergebnisse bereits äußerst viel versprechend für verlustarmen Energietransport auf der Nano- und Mikrometerskala.