Wir forschen an den Grundlagen der Wechselwirkungen von Licht und Materie in nanostrukturierten Materialien, vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarotbereich des Spektrums. Ein besonderer Fokus liegt auf plasmonischen und dielektrischen Nanoantennen, der Kopplung an niederdimensionale Materialien und der Untersuchung von Quantenphänomenen.
Wir arbeiten an den Grundlagen und Anwendungsmöglickeiten einer neuen Klasse von dielektrischen Metaoberflächen, die auf der Physik von gebundenen Zuständen im Kontinuum (BIC) basieren. Wir nutzen die ultrascharfen Resonanzen und starken nanophotonischen Effekte dieser Metaoberflächen und erforschen so die Wechselwirkungen von Licht und Materie mit dem Fokus, eine neue Plattform für Sensorik und Biospektroskopie zu schaffen.
Van-der-Waals Materialien und 2D-Materialien bilden eine vielseitige Plattform für unsere Forschung. Die schwachen Van-der-Waals-Kräfte zwischen der einzelnen, atomar dünnen Kristalllagen dieser Materialien ermöglichen eine mechanische Isolierung von nahazu zweidimensionalen Kristallen, sowie das Stapeln verschiedener Materialien zur Kombination ihrer Eigenschaften.
In unserer Gruppe nutzen wir diese Gruppe an Materialien, um neuartige photonische Strukturen herzustellen, wie etwa zur Untersuchung der Wechselwirkung von Licht und Materie.
Wir untersuchen eine Vielzahl von Prozessen in unerforschten Materialien und Nanostrukturen, die auf Zeitskalen im Bereich von Bruchteilen von Nanosekunden stattfinden. Mit einem ultraschnellen Pump-Probe-Setup überwachen wir die Auswirkungen eines Pumpenimpulses auf ein Medium, indem wir einen zweiten Impuls mit variabler Zeitverzögerung senden.
Dies ermöglicht es uns, Phänomene von akustischen Phononen in Nanoantennen auf Nanosekunden-Skala, über Pikosekunden lange elektronische Abklingzeiten und bis hin zu instantanen Prozessen wie der Summenfrequenzerzeugung oder der Generierung von Harmonischen zu überwachen. Durch die Gestaltung neuartiger Nanostrukturen in Kombination mit effizienten Materialien arbeiten wir daran, die Effizienz dieser Prozesse zu maximieren und Anwendungen in der ultraschnellen optischen Signalverarbeitung zu ermöglichen.
Wir arbeiten mit streuender Raster-Nahfeldmikroskopie (s-SNOM), einer Bildgebungstechnik, die in der Lage ist das Beugungslimit zu überwinden und Objekte mit nanometergenauer Auflösung mithilfe von mittelinfrarotem Licht zu beobachten. Indem wir einen Laser auf die Spitze einer metallischen Rasterkraftmikroskop-Sonde richten, ermöglichen die stark begrenzten und räumlich lokalisierten Felder um die Rastersonde herum eine oberflächensensitive spektroskopische Analyse einer Probenoberfläche. Wir nutzen diese Technik hauptsächlich für zwei Forschungsbereiche: die Charakterisierung von gebundenen Zuständen im Kontinuum in Metaoberflächen und die Biospektroskopie von lebenden Zellen und anderen biologischen Materialien wie Lipiden.
Ersteres umfasst die Bildgebung und spektroskopische Analyse periodischer dielektrischer Strukturen mit sehr hohen Gütefaktoren und schmalen, abstimmbaren Resonanzen. Letzteres beinhaltet Arbeiten an lebenden Zellen wie E. coli- und Lungenkrebszellen sowie photoschaltbaren Lipiden, wobei der Schwerpunkt auf den dynamischen Prozessen liegt, die in einem solchen System beobachtet werden können. Derzeit entwickeln wir die erste mikrofluidische Durchflusszelle für s-SNOM mit dem Ziel, die bisher getrennten Bereiche der Nahfeldmikroskopie und der Biophysik zu vereinen.
Halbleitende Nanoantennen aus Silizium, Germanium oder Galliumphosphid ermöglichen es uns, nichtlineare optische Prozesse um mehrere Größenordnungen zu verstärken. Elektrische, magnetische und toroidale elektromagnetische Moden schränken elektromagnetische Felder auf kontrollierte Weise räumlich ein. Diese Eigenschaften sind auch für oberflächenverstärkte Spektroskopien ohne hohe optische Verluste sehr wertvoll.
Auf der anderen Seite untersuchen wir metallische Nanostrukturen, die als plasmonische Nanoantennen bezeichnet werden, und es uns ermöglichen optische Felder tief unterhalb der Beugungsgrenze von Licht über Entfernungen in der Nanometerskala zu begrenzen. Moleküle oder Quanten-Materie, die diese verstärkten Felder erfahren, zeigen eine erhebliche Zunahme ihrer Wechselwirkungen mit Photonen. Wir nutzen dies für oberflächenverstärkte optische Spektroskopien aus.