Colloidal energy transfer systems for spaser based nanolasing

用于基于SPASER的纳米激光的胶体能量转移系统

基本信息

项目摘要

The proposed project aims at the development of colloidal energy transfer systems capable of gener-ating coherent photons in a well-defined wavelength regime, which is a rapidly evolving field of re-search. This research project provides important contributions to the preparation, characterization and theoretical understanding of nanoscaled optical components generating coherent photons for possible applications in sensing, sub-diffraction limit imaging, metamaterials and all-optical computing. For this purpose, we will use the spaser effect (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation) and employ plasmonic nanostructures to support and concentrate strong optical-frequency fields. In analogy to a classical laser, such a spaser requires a pump, a resonator and a gain medium. A major challenge in the realization of spaser based nanolasers is the gain efficiency, since the amplification by gain has to compensate optical losses to reach the critical threshold needed for lasing. We plan to increase the gain efficiency by using low optical loss plasmonic nanostructures and bright, photostable fluorophores to provide sufficient amplification. Most importantly we will analyze the energy transfer behavior systematically to determine the ideal fluorophore loading density and distance as well as fluorophore type. The strong research activity with respect to the synthesis and functionalization of plasmonic nanomaterials in the last years makes it now possible to experimentally realize energy transfer colloids which allow for spaser action. Furthermore, sophisticated spectroscopy tools for ensemble and single particle measurements are now available and will allow the actual identification of spaser performance. The present project combines elements of colloid and polymer chemistry, physics and theoretical simulation. Consequently, the proposed project in the framework of the Emmy Noether programme fits well into the research profile “Macromolecular and Colloid Research” at the University of Bayreuth and benefits from the strong scientific environment. The University of Bayreuth represents an excellent research platform, where junior scientists are systematically supported and find ideal working conditions. Excellent laboratories dedicated to synthesis of nanostructured materials can be found enabling synthesis of complex inorganic, organic and composite structures. In addition, a broad variety of instruments, important for characterization and processing of colloids, is available. The proposed project fits perfectly into the school of chemistry with the departments Physical Chemistry I (Prof. S. Förster), Physical Chemistry II (Prof. A. Fery) and the department Experimental Physics IV (Prof. J. Köhler). Institutions with a special research focus important for the present project such as the „Bayreuther Zentrum für Kolloide und Grenzflächen“ (BZKG) and the „Bayreuther Institut für Makromolekülforschung“ (BIMF) are accessible. Furthermore, the proposer’s research interests fit perfectly into the theme of the „Sonderforschungsbereich 840” (SFB 840).
拟议的项目旨在开发能够在明确定义的波长范围内产生相干光子的胶体能量转移系统,这是一个快速发展的研究领域。该研究项目为纳米尺度光学元件的制备,表征和理论理解提供了重要贡献,这些光学元件产生相干光子,可用于传感,亚衍射极限成像,超材料和全光计算。为此,我们将使用spaser效应(通过受激辐射发射的表面等离子体放大),并采用等离子体纳米结构来支持和集中强光频场。与经典激光器类似,这种激光器需要泵浦、谐振腔和增益介质。实现基于spaser的纳米激光器的主要挑战是增益效率,因为增益放大必须补偿光学损耗以达到激光发射所需的临界阈值。我们计划通过使用低光学损耗等离子体纳米结构和明亮的光稳定荧光团来提供足够的放大来提高增益效率。最重要的是,我们将系统地分析能量转移行为,以确定理想的荧光团加载密度和距离以及荧光团类型。过去几年在等离子体纳米材料的合成和功能化方面的强有力的研究活动使得现在有可能通过实验实现允许spaser作用的能量转移胶体。此外,用于整体和单粒子测量的复杂光谱工具现在已经可用,并将允许实际识别spaser性能。本项目结合了胶体和高分子化学,物理和理论模拟的元素。因此,在埃米诺特计划的框架内提出的项目非常适合拜罗伊特大学的研究概况“高分子和胶体研究”,并受益于强大的科学环境。拜罗伊特大学是一个优秀的研究平台,在这里,年轻的科学家得到系统的支持,并找到理想的工作条件。可以找到致力于合成纳米结构材料的优秀实验室,从而能够合成复杂的无机,有机和复合结构。此外,还有各种各样的仪器,对胶体的表征和处理很重要。该项目完全符合化学系物理化学I(S。Förster),物理化学II(教授A。Fery)和实验物理IV(J. Köhler教授)。对本项目具有重要意义的特殊研究重点的机构,如“Bayreuther Zentrum für Kolloide und Grenzflächen”(BZKG)和“Bayreuther Institut für Makromolekülforschung”(BIMF)都可以进入。此外,提案人的研究兴趣完全符合“Sonderforschungsbereich 840”(SFB 840)的主题。

项目成果

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