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„Fortschrittliche numerische und semianalytische Streumatrix-rechnungen zur Bestimmung der optischen Eigenschaften von Nanostrukturen“

 

Wegen der meist komplexen und teuren Herstellung von Nanostrukturen mit besonderen neuartigen optischen Eigenschaften ist man zur Optimierung der Strukturparameter und zur Anpassung der optischen Eigenschaften auf numerische Verfahren angewiesen. Jedoch stellte sich die numerische Berechnung für Nanostrukturen als kompliziert heraus, besonders im Falle von metallo-dielektrischen Strukturen, welche plasmonische Resonanzen aufweisen. Deshalb sind sowohl fortschrittliche numerische Methoden als auch semianalytische Modelle notwendig. Thomas Weiss konnte in seiner Arbeit zeigen, dass der Streumatrixformalismus beides bieten kann. Um komplexere ebene Geometrien exakt beschreiben zu können, erweiterte er die Fourier-modale Methode um das Konzept der angepassten Koordinaten. In Kombination mit der adaptiven Ortsauflösung konnte er enorme Verbesserungen des Konvergenzverhaltens erzielen, sodass es nun auch möglich ist, komplexere metallische Strukturen effizient zu berechnen. Darüber hinaus entwickelte er eine Methode, mit der man dreidimensionale optische Resonanzen direkt aus der Streumatrix ableiten kann. Ausgehend von den Resonanzen eines einzelnen Systems ist es außerdem möglich, mit Hilfe der von ihm entwickelten Methode der resonanten Modenkopplung Approximationen für die Resonanzen gekoppelter Systeme zu erhalten. Die Methode erlaubt sowohl die Beschreibung des Nahfeld- als auch des Fernfeldbereichs für Zweischichtsysteme. Aufgrund seiner Arbeit ist es möglich, die gegenseitigen Wechselwirkungen solcher Systeme detailliert zu untersuchen und die optischen Eigenschaften von Nanostrukturen besser zu verstehen und für verschiedene Anwendungen zu optimieren. Dabei können sowohl Systeme aus der Grundlagenforschung wie gekoppelte photonische und quantenmechanische Objekte analysiert, als auch neuartige Materialsensoren entwickelt werden, welche höchst effizient chemische Verunreinigungen eines sterilen Systems feststellen können.

Thomas Weiss, Jahrgang 1981, studierte Physik an der Universität Stuttgart und promovierte dort und an der Université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand) im Cotutelle-Verfahren. Von 2011 bis 2013 war er Postdoktorand am Max-Planck-Institut der Physik des Lichts in Erlangen. Seit 2013 ist er Juniorprofessor an der Universität Stuttgart.