Ultraschnelle Nano-Optik

Im allgemeinen ist die optische räumliche Auflösung durch das Beugungslimit auf etwa eine halbe Wellenlänge, d.h. wenige hundert Nanometer, begrenzt. Um trotzdem bildgebende sowie spektroskopische Verfahren oder kohärente Kontrolle auf Längenskalen unterhalb des Beugungslimits zu realisieren, ist es mit Hilfe der sogenannten Nano-Optik möglich, diese Begrenzung zu umgehen. Die Grundlage dieses aktuellen Forschungsgebietes sind optische Nahfelder deren räumliche Eigenschaften Variationen auf Längenskalen unterhalb derer konventioneller elektromagnetischer Felder zeigen. Die Kombination dieser Nahfeldmethoden mit ultraschneller Laserspektroskopie eröffnet ein neues Fachgebiet für nichtlineare Optik im Nanobereich: ultraschnelle Nano-Optik.

Ultrakurze Laserpulse regen mit einem breiten Spektralbereich optische Nahfelder von Nanostrukturen an, wobei die lokale Feldentwicklung durch kohärente Superposition dieser Moden verschiedener Frequenzen bedingt wird. Aufgrund konstruktiver und destruktiver Interferenzen in Raum und Zeit ist es möglich maßgeschneiderte Nahfelder zu erzeugen. Mit Hilfe polarisationsgeformter Laserpulse ist es uns erfolgreich gelungen, die Entwicklung des lokalen elektrischen Feldvektors zu steuern [1]. Außerdem haben wir ein Modell für Pump-Probe-Experimente entwickelt, das eine Anregung nicht nur zu verschiedenen Zeiten sondern auch an verschiedenen räumlichen Positionen ermöglicht, die mit einer Genauigkeit unterhalb des Beugungslimits gewählt werden können [2]. Diese Methode erlaubt ein direktes Aufzeichnen ultraschneller Energietransport-Prozesse mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung.

Dazu untersuchen wir in ersten Experimenten in Kooperation mit M. Aeschlimann (Kaiserslautern), M. Bauer (Kiel), F. J. García de Abajo (Madrid) und W. Pfeiffer (Bielefeld) die Steuerung optischer Nahfelder von Silber-Nanostrukturen [4] durch Anregung mit polarisationsgeformten Laserpulsen, wobei das elektrische Feld des polarisationsgeformten Pulses durch einen Lernalgorithmus optimiert wird [3] (siehe Abbildung oben rechts). Durch diese Kombination von adaptiver Steuerung und Nano-Optik sind wir in der Lage, die räumliche Beschränkung der konventionellen Optik zu umgehen und räumliche Auflösungen im Nanometerbereich zu realisieren. Ein Beispiel für eine Nanostruktur, bestehend aus sechs Silberscheiben mit Durchmessern von 180 nm und Höhen von 30 nm, ist auf der linken Seite gezeigt: während mit einem ungeformten Laserpuls (linkes Teilbild) Photoelektronen sowohl von den vier oberen (Region "A") als auch von den beiden unteren (Region "B") Nanostrukturen erzeugt werden, kann dies mit einem geformten Laserpuls in der Region "B" sehr effektiv unterdrückt werden (rechtes Teilbild).

Diese Fertigkeit könnte zum Beispiel in der Quanteninformatik von Nutzen sein, weil so Qubits, die nur wenige Nanometer voneinander entfernt sind, optisch selektiv adressiert werden könnten. Darüberhinaus findet diese Methode bei der Steuerung plasmonischer Energieausbreitung in Nanoapparaten Anwendung, die ebenfalls in unserer Arbeitsgruppe untersucht wird.

Referenzen:

[1]    T. Brixner, W. Pfeiffer, and F. J. García de Abajo, "Femtosecond shaping of transverse and longitudinal light polarization", Opt. Lett. 29, 2187-2189 (2004)

[2]    T. Brixner,  F. J. García de Abajo, J. Schneider, and W. Pfeiffer, "Nanoscopic ultrafast space-time-resolved spectroscopy", Phys. Rev. Lett. 95, 093901 (2005)

[3]    T. Brixner,  F. J. García de Abajo, J. Schneider, C. Spindler, and W. Pfeiffer, "Ultrafast adaptive optical near-field control", Phys. Rev. B 73, 125437 (2006)

[4]    M. Aeschlimann, M. Bauer, D. Bayer, T. Brixner,  F. J. García de Abajo, W. Pfeiffer, M. Rohmer, C. Spindler, and F. Steeb, "Adaptive subwavelength control of nano-optical fields", Nature 446, 301-304 (2007)