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Dielectric Mie voids : confining light in air
(2023) Hentschel, Mario; Koshelev, Kirill; Sterl, Florian; Both, Steffen; Karst, Julian; Shamsafar, Lida; Weiss, Thomas; Kivshar, Yuri; Giessen, Harald
Manipulating light on the nanoscale has become a central challenge in metadevices, resonant surfaces, nanoscale optical sensors, and many more, and it is largely based on resonant light confinement in dispersive and lossy metals and dielectrics. Here, we experimentally implement a novel strategy for dielectric nanophotonics: Resonant subwavelength localized confinement of light in air. We demonstrate that voids created in high-index dielectric host materials support localized resonant modes with exceptional optical properties. Due to the confinement in air, the modes do not suffer from the loss and dispersion of the dielectric host medium. We experimentally realize these resonant Mie voids by focused ion beam milling into bulk silicon wafers and experimentally demonstrate resonant light confinement down to the UV spectral range at 265 nm (4.68 eV). Furthermore, we utilize the bright, intense, and naturalistic colours for nanoscale colour printing. Mie voids will thus push the operation of functional high-index metasurfaces into the blue and UV spectral range. The combination of resonant dielectric Mie voids with dielectric nanoparticles will more than double the parameter space for the future design of metasurfaces and other micro- and nanoscale optical elements. In particular, this extension will enable novel antenna and structure designs which benefit from the full access to the modal field inside the void as well as the nearly free choice of the high-index material for novel sensing and active manipulation strategies.
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Electro-active metaobjective from metalenses-on-demand
(2022) Karst, Julian; Lee, Yohan; Floess, Moritz; Ubl, Monika; Ludwigs, Sabine; Hentschel, Mario; Giessen, Harald
Switchable metasurfaces can actively control the functionality of integrated metadevices with high efficiency and on ultra-small length scales. Such metadevices include active lenses, dynamic diffractive optical elements, or switchable holograms. Especially, for applications in emerging technologies such as AR (augmented reality) and VR (virtual reality) devices, sophisticated metaoptics with unique functionalities are crucially important. In particular, metaoptics which can be switched electrically on or off will allow to change the routing, focusing, or functionality in general of miniaturized optical components on demand. Here, we demonstrate metalenses-on-demand made from metallic polymer plasmonic nanoantennas which are electrically switchable at CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) compatible voltages of ±1 V. The nanoantennas exhibit plasmonic resonances which can be reversibly switched ON and OFF via the applied voltage, utilizing the optical metal-to-insulator transition of the metallic polymer. Ultimately, we realize an electro-active non-volatile multi-functional metaobjective composed of two metalenses, whose unique optical states can be set on demand. Overall, our work opens up the possibility for a new level of electro-optical elements for ultra-compact photonic integration.
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Functional & active plasmonic systems and metasurfaces
(2022) Karst, Julian; Giessen, Harald (Prof. Dr.)
Funktionelle und aktive plasmonische Nanostrukturen und Metaoberflächen sind das Herzstück von einer Vielzahl an neuartigen optischen Technologien. Sie ermöglichen es Licht auf sehr kleinen Längenskalen zu bündeln und aktiv zu manipulieren. Insbesondere werden sie zur Miniaturisierung von elektro-optischen Bauteilen beitragen, welche für die Realisierung von zukunftsweisenden Technologien in verschiedensten Bereichen vonnöten sind. Hierzu zählen unter anderem Technologien aus den Bereichen virtuelle Realität (VR: engl: virtual reality) und erweiterte Realität (AR: engl: augmented reality), dynamische drei-dimensionale Holografie, miniaturisiertes LiDAR (engl.: Light Detection and Ranging), sowie nano-optische Sensoren für explosive und giftige Gase oder für (händige) chemische Substanzen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit mehreren Ansätzen für funktionelle und aktive plasmonische Systeme und Metaoberflächen. Hierbei analysieren wir insbesondere deren Funktionalitäten als auch die zugrundeliegenden Schaltmechanismen. Wir führen zunächst metallische Polymere für schaltbare plasmonische Systeme ein. Diese Polymere sind zwar seit den 1980er Jahren bekannt, wurden jedoch hauptsächlich für transparente und leitfähige Elektroden verwendet sowie optimiert. Wir zeigen, dass die Nanostrukturierung solcher Polymere es ermöglicht, Nanoantennen mit elektrisch schaltbaren optischen Eigenschaften herzustellen. Deren plasmonische Resonanzen lassen sich hierbei elektrisch ein- oder ausschalten. Unser Konzept basiert auf einem elektrisch-schaltbaren Metall-zu-Isolator-Übergang des Polymers, der durch CMOS-kompatible Spannungen von lediglich ±1 V kontrolliert werden kann. Schaltzeiten erreichen Displayfrequenzen von 33 Hz, was es unseren Nanoantennen ermöglicht, Anwendung in zukünftigen Display-Technologien zu finden. Zudem demonstrieren wir Langzeit-Stabilität über mehrere Hundert Zyklen. Durch gezielte periodische Anordnung unserer metallischen Polymer-Nanoantennen erschaffen wir ultra-dünne Metaoberflächen zur aktiven Laserstrahlablenkung sowie zur aktiv-steuerbaren Lichtfokussierung mit sehr hohem Kontrast. Wir realisieren zudem ein Metaobjektiv aus metallischem Polymer, welches neuartige Funktionalitäten, wie z.B. einen bifokalen Zustand, aufweist. Als Nächstes untersuchen wir aktive plasmonische Systeme auf Basis von wasserstoffsensitiven Metallen. Solche schaltbaren plasmonischen Antennen finden Anwendung in aktiven Metaoberflächen sowie in plasmonischen Wasserstoffsensoren. Häufig verwendete Materialien sind hierbei Palladium, Yttrium, oder Magnesium. Letzteres bietet hierbei den Vorteil, dass es ein exzellenter Wasserstoffspeicher ist. Zudem können die optischen Eigenschaften von plasmonischen Nanoantennen aus Magnesium mit Hilfe von Wasserstoff sehr stark beeinflusst werden. Jedoch sind die damit einhergehenden Schaltzeiten häufig sehr lang und die Degradierung von Magnesium während der Schaltvorgänge sehr hoch. Um die hierbei limitierenden Faktoren herauszufinden, vermessen wir Magnesium während der Hydrogenisierung mittels auf Streuung basierender optischer Rasternahfeldmikroskopie. Hiermit können wir die Wasserstoff-Diffusionsprozesse in Magnesium auf der Nanometer-Skala detailliert untersuchen. Es lässt sich dabei feststellen, dass diese Diffusionsprozesse stark von der polykristallinen Morphologie von Magnesium sowie durch dessen Volumenausdehnung beeinflusst werden. Darüber hinaus zeigen wir, dass nicht nur Wasserstoff in Form von Gas, sondern auch Alkohole in der Lage sind Metalle zu hydrogenisieren. Am Beispiel von Yttrium demonstrieren wir, dass sich die optischen Eigenschaften von plasmonischen Nanoantennen durch deren Eintauchen in Alkohol verändern lassen. Dabei fungieren die Nanoantennen als lokale nanooptische Indikatoren, um diesen flüssigen Hydrogenisierungsprozess optisch zu visualisieren. In verschiedensten Bereichen ist es zudem nötig die optische Aktivität/Chiralität bzw. Händigkeit einer chemischen Substanz zu ermitteln. So entscheidet, z.B., die Händigkeit einer Substanz darüber, ob sie als Medikament eingesetzt werden kann oder giftig für den menschlichen Körper ist. Diese Chiralität kann optisch detektiert und gemessen werden. Hierbei können plasmonische Nanoantennen die Sensitivität entscheidend verbessern. Deshalb analysieren wir zuletzt die spektrale Antwort einzelner chiraler Nanopartikel. Hierzu verwenden wir unsere automatisierte Messmethode, mit welcher sich die chiralen Streuspektren der Einzelpartikel detailliert untersuchen lassen. Dabei zeigen wir, dass die chiralen Einzelpartikelspektren stark von der jeweiligen Morphologie des Partikels abhängen. Unsere untersuchten Partikel weisen im Allgemeinen eine spiralförmige Struktur auf, welche zu einer enormen optischen Aktivität führt. Folglich können diese chiralen plasmonischen Nanopartikel in verschiedensten Sensorplattformen vielversprechende Anwendungen finden. Unter anderem könnte mit deren Verwendung die Sensitivität bzw. Empfindlichkeit von nanooptischen Sensoren für chirale Moleküle bzw. Flüssigkeiten enorm gesteigert werden. In Kombination mit schaltbaren plasmonischen Materialien rücken sogar aktiv steuerbare chirale Sensoren in greifbare Nähe.
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Predicting concentrations of mixed sugar solutions with a combination of resonant plasmon-enhanced SEIRA and principal component analysis
(2022) Pfezer, Diana; Karst, Julian; Hentschel, Mario; Giessen, Harald
The detection and quantification of glucose concentrations in human blood or in the ocular fluid gain importance due to the increasing number of diabetes patients. A reliable determination of these low concentrations is hindered by the complex aqueous environments in which various biomolecules are present. In this study, we push the detection limit as well as the discriminative power of plasmonic nanoantenna-based sensors towards the physiological limit. We utilize plasmonic surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRA) to study aqueous solutions of mixtures of up to five different physiologically relevant saccharides, namely the monosaccharides glucose, fructose, and galactose, as well as the disaccharides maltose and lactose. Resonantly tuned plasmonic nanoantennas in a reflection flow cell geometry allow us to enhance the specific vibrational fingerprints of the mono- and disaccharides. The obtained spectra are analyzed via principal component analysis (PCA) using a machine learning algorithm. The high performance of the sensor together with the strength of PCA allows us to detect concentrations of aqueous mono- and disaccharides solutions down to the physiological levels of 1 g/L. Furthermore, we demonstrate the reliable discrimination of the saccharide concentrations, as well as compositions in mixed solutions, which contain all five mono- and disaccharides simultaneously. These results underline the excellent discriminative power of plasmonic SEIRA spectroscopy in combination with the PCA. This unique combination and the insights gained will improve the detection of biomolecules in different complex environments.
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Tailored optical functionality by combining electron‐beam and focused gold‐ion beam lithography for solid and inverse coupled plasmonic nanostructures
(2020) Hentschel, Mario; Karst, Julian; Giessen, Harald
Plasmonics is a field uniquely driven by advances in micro‐ and nanofabrication. Many design ideas pose significant challenges in their experimental realization and test the limits of modern fabrication techniques. Here, the combination of electron‐beam and gold ion‐beam lithography is introduced as an alternative and highly versatile route for the fabrication of complex and high fidelity plasmonic nanostructures. The capability of this strategy is demonstrated on a selection of planar as well as 3D nanostructures. Large area and extremely accurate structures are presented with little to no defects and errors. These structures exhibit exceptional quality in shape fidelity and alignment precision. The combination of the two techniques makes full use of their complementary capabilities for the realization of complex plasmonic structures with superior optical properties and functionalities as well as ultra‐distinct spectral features which will find wide application in plasmonics, nanooptics, metasurfaces, plasmonic sensing, and similar areas.