Aktive Halbleiter-Metaoberflächen 

Zum Thema › Metaober­flä­chen bestehen aus maß­ge­schnei­der­ten Halb­lei­ter-Nan­o­re­so­na­to­ren, die in einer Ebene ange­ord­net sind, und bie­ten ein­zig­ar­tige Mög­lich­kei­ten, die Eigen­schaf­ten von Licht­fel­dern zu kon­trol­lie­ren. Sie kön­nen z.B. einem ein­fal­len­den Licht­feld eine räum­lich vari­ie­rende Pha­sen­ver­schie­bung auf­er­le­gen, wodurch sich die Wel­len­front des Licht­fel­des gezielt kon­trol­lie­ren lässt und Funk­tio­na­li­tä­ten wie Fokus­sie­rung, Strahl­for­mung oder holo­gra­phi­sche Pro­jek­tion rea­li­siert wer­den kön­nen. Die meis­ten bis­her rea­li­sier­ten Halb­lei­ter-Metaober­flä­chen waren jedoch pas­siv und linear, und ihre opti­sche Funk­tio­na­li­tät wurde wäh­rend der Her­stel­lung per­ma­nent in die Struk­tur kodiert. Aus Anwen­dungs­sicht wäre jedoch die Aus­wei­tung des Kon­zepts auf aktive Sys­teme,  ins­be­son­dere auf metaober­flä­chen­ba­sierte Licht­quel­len, nicht­li­neare Metaober­flä­chen sowie dyna­misch schalt­bare Metaober­flä­chen, sehr wün­schens­wert. Die­ser Vor­trag gibt einen Über­blick über unsere jüngs­ten Fort­schritte in der Rea­li­sie­rung sol­cher akti­ver Halb­lei­ter-Metaober­flä­chen. 

Ins­be­son­dere haben wir die spon­tane Emis­sion von Metaober­flä­chen unter­sucht, in die ver­schie­dene Arten von Emit­tern inte­griert sind, sowie die Fre­quenz­ver­dopp­lung an Metaober­flä­chen, die aus Mate­ria­lien mit einer hohen nicht­li­nea­ren Sus­zep­ti­bi­li­tät zwei­ter Ord­nung bestehen oder diese ent­hal­ten. Unsere Ergeb­nisse zei­gen, dass sowohl die Richtungs‑, wie auch die spek­tra­len und/oder Pola­ri­sa­ti­ons­ei­gen­schaf­ten des spon­tan emit­tier­ten oder nicht­li­near erzeug­ten Lichts durch das Design der Metaober­flä­che maß­ge­schnei­dert wer­den kön­nen. 

Zur dyna­mi­schen Modu­lie­rung der Metaober­flä­chen­ant­wort nut­zen wir die Inte­gra­tion der Halb­lei­ter-Metaober­flä­chen in nema­ti­sche Flüs­sig­kris­tall­zel­len. Auf diese Weise kön­nen wir deren linear-opti­sche Ant­wort im sicht­ba­ren und nahin­fra­ro­ten Spek­tral­be­reich unter Ver­wen­dung einer ange­leg­ten Span­nung als Kon­troll­pa­ra­me­ter dyna­misch schal­ten. Die demons­trier­ten akti­ven Funk­tio­na­li­tä­ten bie­ten inter­es­sante Mög­lich­kei­ten für eine Viel­zahl zukünf­ti­ger Anwen­dun­gen von Halb­lei­ter-Metaober­flä­chen. 

Zur Refe­ren­tin › Prof. Dr. Isa­belle Staude stu­dierte Phy­sik an der Uni­ver­si­tät Kon­stanz und pro­mo­vierte im Jahr 2011 am Karls­ru­her Insti­tut für Tech­no­lo­gie. Im Anschluss wech­selte sie an die Aus­tra­lian Natio­nal Uni­ver­sity, Can­berra, Aus­tra­lien, an der sie einige Jahre als Post­dok­to­ran­din forschte. Mitte 2015 kehrte sie nach Deutsch­land zurück, um eine Nach­wuchs­gruppe zu funk­tio­na­len pho­to­ni­schen Nano­struk­tu­ren an der Fried­rich-Schil­ler-Uni­ver­si­tät Jena auf­zu­bauen. Sie erhielt ein Emmy-Noe­ther-Sti­pen­dium der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft sowie den Her­tha-Spo­ner-Preis 2017 der Deut­schen Phy­si­ka­li­schen Gesell­schaft. Im Herbst 2017 wurde sie zur Juni­or­pro­fes­so­rin, im Früh­jahr 2020 zur ordent­li­chen Pro­fes­so­rin beru­fen. Isa­belle Staude ist akti­ves Mit­glied der Jun­gen Akademie.

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