German Title: Dynamische Nanoplasmonik

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Abstract

Light can strongly interact with metallic nanostructures, leading collective oscillations of conduction electrons known as particle plasmons. For a long time, gold and silver have been the metals of choice for constructing plasmonic nanodevices, given their excellent optical properties. However, these metals present static optical responses. In the past decade, tremendous interest has been witnessed in dynamically controlling the optical properties of plasmonic nanostructures. To enable dynamic functionality, several approaches have been proposed and implemented. First one is to manipulate the configurations of plasmonic structures. Second one is to tune the dielectric surroundings of plasmonic nanostructures. Third one, which is probably the most intriguing one, is to directly regulate the carrier densities and dielectric functions of the metals themselves. Magnesium is one of the promising candidates, as it exhibits excellent optical properties at high frequencies and can absorb/desorb hydrogen, undergoing reversible transitions between metal and dielectric hydride states. This offers great opportunities to design and construct dynamic optical nanodevices at visible frequencies. We envision that Magnesium-based dynamic nanoplasmonics will not only provide insights into understanding the catalytic processes of hydrogen diffusion in metals on the nanometer scale by optical means but also it will open an avenue towards functional plasmonic nanodevices with tailored optical properties for real-world applications.

Translation of abstract (German)

Interagiert Licht mit metallischen Nanostrukturen, können kollektive Oszillationen von Leitungsband-Elektronen, sogenannte Partikel-Plasmonen, angeregt werden. Plasmonische Bauteile bestehend aus solchen Nanostrukturen werden zumeist aus Gold und Silber aufgrund ihrer hervorragenden optischen Eigenschaften angefertigt. Im letzten Jahrzehnt wurden zahlreiche Ansätze erforscht um den ansonsten statischen optischen Eigenschaften der Nanostrukturen eine dynamische Funktionalität zu verleihen: Zum einen kann die Anordnung bzw. das umgebende Medium der plasmonischen Nanostrukturen verändert werden. Zum anderen, und das ist wahrscheinlich der elegantere Ansatz, können die Ladungsträgerdichten und dielektrischen Funktionen der Metalle selbst modifiziert werden. Hierbei ist Magnesium einer der aussichtsreichsten Kandidaten für dynamische optische Bauelemente im sichtbaren Spektralbereich. Magnesium weist neben den exzellenten optischen Eigenschaften einen Metall-Isolator-Phasenübergang auf, der durch die Absorption und Desorption von Wasserstoff gesteuert werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit ist davon auszugehen, dass die dynamische Nanoplasmonik mittels Magnesium nicht nur Einblicke in das Verständnis der katalytischen Prozesse der Wasserstoffdiffusion in Metallen im Nanometerbereich bietet, sondern auch die Tür für funktionale plasmonische Nanobauteile mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften zu realen Anwendungen öffnet.