Programming the Nonlinear Optics of a Nanoporous Photonic Metamaterial by Confined Crystallization

Licht verhält sich normalerweise entsprechend der Materialien, durch die es wandert. Wenn ein Strahl durch Glas reist, biegt er sich; wenn er auf einen Spiegel trifft, prallt er ab. Doch in einem spezialisierten Zweig der Physik, der Photonik, haben Wissenschaftler gelernt, das Licht zu überlisten, indem sie Materie in Strukturen anordnen, die so klein sind, dass das Licht die einzelnen Atome nicht „sehen“ kann. Stattdessen reagiert das Licht auf die Form und Anordnung der Struktur selbst. Stellen Sie sich einen Wald vor, der so dicht ist, dass ein Vogel, der hindurchfliegt, nur eine massive grüne Wand sieht und keine einzelnen Bäume. In diesem Bereich können Forscher Materialien entwerfen, die als eine einzige, einheitliche Substanz mit Eigenschaften fungieren, die in der Natur nicht existieren. Eine der spannendsten Möglichkeiten in diesem Feld ist die Schaffung von Materialien, die die Farbe des Lichts ändern können – ein Prozess, der als Frequenzkonvertierung bekannt ist und für fortschrittliche Laser und die Telekommunikation entscheidend ist. Um dies zu erreichen, benötigen Wissenschaftler Materialien, die nicht nur präzise strukturiert sind, sondern auch eine spezifische interne Symmetrie besitzen, die es ihnen ermöglicht, auf eine nichtlineare Weise mit Licht zu interagieren.

Die Herausforderung bestand darin, dass die Herstellung solcher Materialien normalerweise eine komplexe Fertigung erfordert, welche die Eigenschaften des Materials in dem Moment festschreibt, in dem es hergestellt wird. Einmal gebaut, kann das Material nicht ohne Weiteres umprogrammiert werden. Eine neue Studie eines Forscherteams aus der Ukraine, Frankreich, Deutschland und Polen hat einen Weg gefunden, diese Einschränkung zu umgehen. Sie haben eine Methode entwickelt, das optische Verhalten eines Materials nach dessen Herstellung zu „programmieren“, indem sie einfach kontrollieren, wie eine Flüssigkeit in winzigen, unsichtbaren Tunneln zu einem Feststoff wird. Das Ergebnis ist ein Material, das zwischen zwei sehr unterschiedlichen Zuständen hin- und hergeschaltet werden kann: einem, das Licht aus jeder Richtung gleich behandelt, und einem, das eine starke, spezifische Richtungspräferenz aufweist. Dieser Durchbruch deutet auf eine Zukunft hin, in der die optischen Eigenschaften fortschrittlicher Geräte während des Herstellungsprozesses geschrieben und umgeschrieben werden können, anstatt durch die Wahl der Rohstoffe festgelegt zu sein.

Die Forscher verwendeten eine Membran aus anodischer Aluminiumoxid, ein Material, das wie eine feste Platte aussieht, aber tatsächlich ein dichter Wald aus parallelen, zylindrischen Tunneln ist. Diese Tunnel sind unglaublich klein, mit einem Durchmesser zwischen 32 und 270 Nanometern – tausende Male dünner als ein menschliches Haar. Um diese passive Membran in ein aktives optisches Bauteil zu verwandeln, füllte das Team diese Tunnel mit einer Substanz namens Benzil. Benzil ist ein molekularer Kristall, der, wenn er korrekt angeordnet ist, die Farbe des durch ihn wandernden Lichts ändern kann. Der Schlüssel zum Experiment lag nicht nur darin, die Tunnel mit Benzil zu füllen, sondern zu kontrollieren, wie das Benzil in ihnen erstarrte. Das Team testete zwei verschiedene Methoden der Kristallisation. Bei der ersten Methode ließen sie das Benzil unabhängig in jedem Tunnel gefrieren, ohne Verbindung zu den Nachbarn. In der zweiten Methode erzeugten sie eine kontinuierliche Schicht aus festem Benzil an der Basis der Membran, die als Keim diente und das Benzil in jedem einzelnen Tunnel dazu zwang, während des Wachstums in dieselbe Orientierung wie dieser zu wachsen.

Als das Benzil unabhängig in jedem Tunnel gefror, war das Ergebnis ein Material, das optisch einheitlich erschien. Obwohl die Benzilmoleküle innerhalb jedes winzigen Tunnels an den Tunnelwänden ausgerichtet waren, war die Richtung, in die sie sich innerhalb des Kreises des Tunnels drehten, von einem Tunnel zum nächsten völlig zufällig. Es war, als ob jeder Tunnel eine Kompassnadel hätte, die senkrecht nach oben zeigt, aber die Nadeln drehten sich um die vertikale Achse in alle möglichen Richtungen. Wenn Licht auf diese Membran traf, hoben sich die zufälligen Orientierungen auf großer Skala gegenseitig auf. Das Material reagierte auf Licht unabhängig davon, wie das Licht polarisiert war, und verhielt sich wie ein Material ohne bevorzugte Richtung. Dies bestätigte, dass die einzelnen Tunnel zwar aktiv waren, der Mangel an Koordination zwischen ihnen jedoch verhinderte, dass das Material einen starken, kollektiven Richtungs-Effekt zeigte.

Als die Forscher jedoch die zweite Methode anwandten, also die Kristallisation durch eine feste Schicht am Boden anzusäen, änderte sich das Ergebnis dramatisch. Die feste Schicht fungierte als eine Art Meistervorlage, die die Benzilkristalle in allen Tunneln dazu zwang, in derselben Orientierung zu wachsen. Plötzlich stoppte das zufällige Drehen. Die gesamte Membran, die Sub-Millimeter-Distanzen überspannt, besaß nun eine einheitliche Richtung. Wenn Licht auf dieses Material traf, reagierte es stark und spezifisch auf den Winkel des Lichts und verhielt sich wie ein Material mit einer ausgeprägten, programmierten Anisotropie. Die Forscher konnten das Material im Wesentlichen von einem Zustand, in dem es hinsichtlich der Richtung optisch „unsichtbar“ war, in einen hochgradig gerichteten Zustand umschalten, indem sie lediglich den Abkühlungsprozess des flüssigen Benzils veränderten. Dies demonstrierte, dass das makroskopische optische Verhalten des Materials nicht allein durch das Benzil oder das Aluminiumoxid festgelegt wurde, sondern durch den Pfad, den die Kristallisation einschlug.

Die Studie zeigte auch auf, wie die Größe der Tunnel die Stärke dieser optischen Reaktion beeinflusst. Die Forscher fanden heraus, dass die Tunnel nicht perfekt mit festem Kristall gefüllt sind; es gibt eine dünne, ungeordnete Schicht aus Material, die an den Wänden haftet und nicht zur optischen Wirkung beitragt. Diese inaktive Schicht ist etwa 2,6 Nanometer dick. In sehr schmalen Tunneln nimmt diese tote Schicht einen erheblichen Teil des Raums ein, sodass wenig Platz für den aktiven Kristall bleibt. Wenn die Tunnel breiter werden, wächst der aktive Kristallkern, und die optische Reaktion wird wesentlich stärker. Das Team kombinierte seine neuen Daten mit früheren Ergebnissen aus ähnlichen Experimenten mit Siliziumdioxid-Röhren, um zu zeigen, dass dieser Zusammenhang über einen weiten Bereich von Größen und sogar über verschiedene Wirtsmaterialien hinweg Bestand hat. Dies legt nahe, dass die Dicke dieser inaktiven Grenzschicht eine fundamentale Grenze darstellt, die durch die Art und Weise bestimmt wird, wie die Moleküle gegen eine harte Wand packen, und nicht durch die spezifische Chemie der Wand selbst.

Eine weitere überraschende Entdeckung ergab sich, als die Forscher untersuchten, wie das Licht das Material verlässt. In den meisten opaken, streuenden Materialien ist das Licht, das von der Oberfläche abprallt, viel stärker als das Licht, das den Weg ganz durch das Material nimmt. Aber in diesen Nanokomposit-Membranen, insbesondere bei denen mit den engsten Tunneln, war das durch das Material transmittierte Licht weitaus stärker als das reflektierte Licht. Darüber hinaus wurde das transmittierte Licht nicht in alle Richtungen gestreut; es trat in einem engen, fokussierten Strahl in einem bestimmten Winkel aus. Dieses Verhalten, das die Forscher auf die einzigartige Art und Weise zurückführen, wie das Licht durch das Array aus winzigen, leicht konischen Tunneln wandert, trat nur auf, wenn die Tunnel klein genug waren, um als „Subwellenlängen“-Strukturen zu gelten. Dies bestätigt, dass das Material als echtes Metamaterial wirkt, bei dem die kollektive Architektur der Tunnel den Pfad des Lichts bestimmt und nicht nur die Eigenschaften des Benzils im Inneren.

Die Auswirkungen dieser Arbeit gehen über das bloße Verständnis darüber hinaus, wie sich Licht durch winzige Löcher bewegt. Die Fähigkeit, die Orientierung der Kristalle zu programmieren, bedeutet, dass Wissenschaftler nun in der Lage sind, Materialien mit einer spezifischen, abstimmbaren optischen Signatur zu entwerfen. Durch die Wahl des richtigen Kristallisationspfades können sie ein Material erschaffen, das entweder isotrop ist – also gleichmäßig auf alles Licht reagiert – oder hochgradig anisotrop – also stark auf eine bestimmte Richtung reagiert. Diese Ebene der Kontrolle, die durch eine einfache Änderung des Kühlprozesses anstelle komplexer Lithografie erreicht wird, öffnet die Tür zu neuen Arten von optischen Geräten. Die Forscher merkten auch an, dass es aufgrund der winzigen Hohlräume zwischen den Kristallen und den Wänden möglich sein könnte, die Eigenschaften weiter zu verändern, indem man diese Hohlräume mit Wasser füllt, was die Art und Weise verändern würde, wie das Licht durch die Struktur wandert. Während diese Anwendungen noch in einem frühen Stadium sind, beweist die Studie, dass die optische Persönlichkeit eines Metamaterials während seiner Entstehung geschrieben werden kann, was einen vielseitigen neuen Weg zur Gestaltung der Zukunft des Lichts eröffnet.