Metamaterialien haben optische Eigenschaften, die in der Natur beispiellos sind. Mit ihrer Fähigkeit, eine einfallende Wellenfront zu beugen, zu fokussieren, vollständig zu reflektieren, ...durchzulassen oder zu absorbieren, haben sie bei der Lichtmanipulation neue Horizonte eröffnet. Optisch aktive Metamaterialien sind einsetzbar für Anwendungen, die von der 3D‐Informationsspeicherung bis zu photovoltaischen Zellen reichen. Siliciumpartikel gehören zu den vielversprechendsten Synthesebausteinen für optisch aktive Metamaterialien, bislang können sie aber nicht im großen Maßstab hergestellt werden. Besonders wünschenswert sind einheitliche kristalline Si‐Synthesebausteine mit 75–200 nm Durchmesser und wenigen Verunreinigungen und Poren. Hier werden die theoretischen Hintergründe der optischen Eigenschaften von Si für Metamaterialien besprochen, außerdem werden aktuelle Synthesemethoden und die aussichtsreichsten Wege zu Si‐Partikeln für Metamaterialienwerden vorgestellt.
Volldielektrische Metamaterialien werden die Optiktechnologie verändern, sofern Chemiker einige Herausforderungen überwinden können. Siliciumnanopartikel sind aussichtsreiche Kandidaten zur Herstellung volldielektrischer Metamaterialien, die über das gesamte sichtbare Spektrum aktiv sind. Der Stand der Technik zu Siliciumpartikeln für optische Metamaterialien wird vorgestellt, und Anforderungen und Möglichkeiten werden diskutiert.
Riesenatome mit Dreh Bergamini, Andrea; Hannema, Gwenael; Zemp, Armin
Physik in unserer Zeit,
September 2019, Letnik:
50, Številka:
5
Journal Article
Zusammenfassung
Phononische Kristalle sind ein modernes Forschungsgebiet der Physik und der Ingenieurwissenschaften. Von der Festkörperphysik inspiriert verspricht man sich neuartige Metamaterialien, ...die als „Werkstoffe“ lasttragend und schwingungsisolierend sind. Entscheidend sind niederfrequente Bandlücken, welche die Ausbreitung langwelliger Schwingungen wegdämpfen. Dies ist aber je nach Anwendungsfall nur eingeschränkt möglich, solange die „Atome“ dieser periodischen Strukturen als Punktmassen in einem einfachen Masse‐Feder‐System behandelt werden. Man kann aber zusätzlich die Trägheit der makroskopischen und somit geometrisch ausgedehnten „Atome“ gezielt einsetzen. Das ermöglicht sehr leichte oder steife phononische Kristalle mit den erwünschten niederfrequenten Bandlücken.
Phononische Kristalle ermöglichen eine neue Art von Werkstoffen mit makroskopischen Bauteilen als „Atome”. Mit ihren ungewöhnlichen Eigenschaften versprechen sie, einen Beitrag zur Bekämpfung von Lärm und unerwünschten Strukturschwingungen zu leisten. Die Inspiration kommt aus der Festkörperphysik. Doch um sie praxistauglich zu machen, müssen wir darüber hinausschauen.
Die Nanotechnologie ermöglicht es, Materialien im Bereich weniger Nanometer gezielt zu strukturieren. Mit diesen Metamaterialien kann man neue optische Eigenschaften realisieren, die in naturlich ...vorkommenden Materialien nicht möglich sind. Zudem lassen sich auch die nichtlinearen optischen Eigenschaften verändern. Dies fuhrt dazu, dass nichtlineare optische Prozesse, etwa die Erzeugung der zweiten Harmonischen, bereits während der Entstehung in ihrer Phase kontrollierbar sind. Daraus ergeben sich vielfältige Anwendungsgebiete in den Bereichen der nichtlinearen Holographie, Strahlformung und Frequenzumwandlung. Diese bilden eine entscheidende Voraussetzung fur die Entwicklung neuartiger optischer Komponenten im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien.
Metamaterialien haben sich zu einem sehr interessanten Gebiet der Photonik entwickelt, seit John Pendry seine Arbeiten über den negativen Brechungsindex, Tarnkappen und Unsichtbarkeit sowie über ...perfekte Linsen veröffentlichte. Für jegliche praktischen Anwendungen werden dreidimensionale Metamaterialien benötigt. In diesen Materialien spielen bei den optischen und elektronischen Eigenschaften Kopplungseffekte zwischen individuellen Konstituenten eine Schlüsselrolle. Metamaterialien weisen sowohl elektronische wie auch magnetische Resonanzen bei optischen Frequenzen auf. Deswegen stellen elektrische und magnetische Dipol‐Dipol‐Wechselwirkungen wie auch Multipole höherer Ordnung den essenziellen Wechselwirkungsmechanismus dar. Je nach strukturellem Aufbau können sowohl longitudinale als auch transversale Kopplungseffekte auftreten. Das detaillierte Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Kopplungsmechanismen bei der Plasmonenhybridisierung ist ein nützliches Hilfsmittel, um den Übergang von eher molekülartigen Zuständen bis hin zu festkörperartigen Banden zu verstehen.
Ein negativer Brechungsindex ist ein Beispiel für die faszinierenden, mit natürlichen Materialien nicht zu verwirklichenden Eigenschaften künstlich strukturierter Metamaterialien. Dieser Aufsatz gibt einen Überblick über die Kopplungsprinzipien und stellt einfache bis komplexe Kopplungseffekte in optischen Metamaterialien vor. Das Bild zeigt ein vierlagiges Split‐Ring‐Resonator‐Metamaterial, das durch eine Layer‐by‐Layer‐Nanotechnik hergestellt wurde.
Die Transformationsoptik erlaubt Verformungen des optischen Raums, die denen der Raumzeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie bei Anwesenheit von Materie ähneln. Von Fata Morganas ist der Effekt ...kontinuierlich veränderlicher Brechzahlprofile vertraut. Doch erst die Theorie der Transformationsoptik erlaubt die systematische Entwicklung völlig neuer optischer Funktionen. Computersimulationen des Karlsruhe Institute of Technology zeigen, wie eine Tarnkappe und eine kugelförmige Strahlumlenkung funktionieren könnten – zwei Beispiele für die ungeahnten prinzipiellen Möglichkeiten der Transformationsoptik. Die experimentelle Umsetzung im optischen Spektralbereich stellt allerdings noch eine große Herausforderung dar.
Abstract Chirale Strukturen sind in der Natur allgegenwärtig. Optisch äußert sich Chiralität durch eine Drehung der linearen Polarisation des Lichts. Bei den meisten natürlichen Substanzen sind diese ...Drehungen allerdings sehr klein, da die Wellenlänge des Lichts um ein Vielfaches größer ist als die chiralen Bauelemente. Die heutige Nanotechnologie erlaubt es, chirale Strukturen auf der Skala der Wellenlänge des Lichts zu realisieren. Dadurch verstärkt sich die Wechselwirkung mit dem Licht dramatisch. Es öffnen sich Polarisationsstoppbänder, die die Ausbreitung von Licht mit einer bestimmten zirkularen Polarisation vollständig unterdrücken können.
Dans cette thèse on étudie le comportement des ondes électromagnétiques lorsqu'elles rencontrent un matériau négatif, c'est-à-dire un matériau dont la permittivité électrique et/ou la perméabilité ...magnétique est négative. On se focalise ici sur le cas où seulement la permittivité change de signe. En dimension deux, les équations de Maxwell en régime harmonique se réduisent à deux sous-problèmes scalaires plus aisés à traiter. L'un de ces sous-problèmes autorise la propagation d'ondes de surface, appelées plasmons de surface, à l'interface entre le matériau négatif et le diélectrique, ce qui le rend particulièrement intéressant pour les applications. On se concentre sur ce sous-problème et en particulier sur sa partie principale qui correspond à une équation de conductivité. Cependant, comme la permittivité change de signe les outils classiques comme le Théorème de Lax-Milgram sont mis en défaut. Dans le premier chapitre, on introduit des outils utiles à la compréhension du reste de la thèse. On décrit en particulier comment l'étude l'équation de conductivité fait naturellement intervenir l'opérateur de Poincaré-Neumann dont le spectre encode les rapports de permittivité qui permettent l'existence des plasmons de surface. On présente une formulation intégrale et une formulation variationnelle de l'opérateur de Poincaré-Neumann et le lien qui existe entre ces deux formulations. Le second chapitre de ce manuscrit s'intéresse au caractère bien posé de l'équation de conductivité lorsque la permittivité change de signe. En utilisant des méthodes d'équations intégrales on propose une condition suffisante pour que ce problème soit bien posé. Dans le troisième chapitre de cette thèse, on se concentre sur le calcul numérique du spectre de l'opérateur de Poincaré-Neumann à l'aide des méthodes d'éléments finis. On s'intéresse à la convergence des valeurs propres calculées numériquement vers les valeurs propres théoriques. Dans le dernier chapitre, on étudie le problème de transmission des ondes électromagnétiques dans une couche métallique de permittivité négative sous l'angle des fonctions de Green. En particulier on s'intéresse au comportement de la fonction de Green pour ce problème lorsque l'épaisseur de la couche métallique tend vers zéro.
In this thesis, we study the behaviour of electromagnetic waves when interacting with a negative material. Such a material has a negative electric permittivity and/or magnetic permeability. Here we only focus on negative permittivity materials. In dimension two, Maxwell's equations in harmonic regime reduce to a couple of scalar, easier to tackle, sub-problems. One of these sub-problems allows surface waves to propagate along the interface between a negative material and a dielectric, which makes it very interesting for the applications. Such surface waves are called surface plasmons. Here, we focus on this sub-problem and more specifically on its main part which is a conductivity equation. Yet, as the permittivity sign changes between the negative material and the dielectric, it is not allowed to use the classical Lax-Milgram framework. In the first chapter, we introduce tools which are useful to understand the rest of this thesis. In particular, we describe how studying conductivity equation leads us to deal with the Poincar{'e}-Neumann operator. The spectrum of this operator encodes permittivity ratios that allow surface plasmons to propagate. We propose both the integral formulation and the variational formulation of this operator, and we explain the link existing in-between. In the second chapter of this thesis, we focus on the well-posedness property of the conductivity equation when permittivity sign changes. Using integral equation methods, we propose a sufficient well-posedness condition for this problem. In the third chapter, we deal with the numerical computation of the Poincaré-Neumann operator spectrum using finite element methods. We are interested in the convergence of numerically computed eigenvalues to the theoretical ones. In the last chapter, we study the electromagnetic wave transmission problem in a metallic layer with a negative permittivity from the Green's function point of view. In particular, we investigate the Green's function behaviour when the metallic layer thickness goes to zero.
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