Unsere Gruppe untersucht Phänomene der Licht-Materie-Kopplung in nanoskaligen Quantenmaterialien. Wir nutzen Polaritonen, um Licht auf die Nanoskala zu komprimieren, und setzen ultraschnelle nichtlineare optische Techniken ein, um Phänomene in den normalerweise getrennten Spektralbereichen des mittleren Infrarots und des sichtbaren Lichts miteinander zu verknüpfen. Unser Ziel ist es, ein besseres Verständnis von Grenzflächen in 2D-Quantenmaterialien zu erlangen, neue Kopplungskanäle zur Umwandlung von Licht zwischen verschiedenen Spektralbereichen zu aktivieren und Materialeigenschaften durch die Hybridisierung mit Licht zu beeinflussen. Unsere Forschung wird durch das Emmy-Noether-Programm der DFG gefördert. Wir arbeiten eng mit Forschungsgruppen am Fachbereich, dem benachbarten Fritz-Haber-Institut und Partnern weltweit zusammen.

Polaritonen

Polaritonen sind hybride Licht-Materie-Quasiteilchen, die es ermöglichen, Licht weit unterhalb der Beugungsgrenze auf die Nanoskala zu komprimieren. Sie entstehen, wenn Photonen stark mit Materialanregungen – wie Plasmonen, Exzitonen oder Phononen – koppeln und gemischte Zustände bilden, die Eigenschaften von Licht und Materie teilen. In den letzten Jahrzehnten haben Polaritonen die Nanophotonik revolutioniert und den Weg für nanoskalige Wellenleiter, ultrasensitive optische Sensoren und neuartige Lichtquellen geebnet. Wir interessieren uns besonders für Phonon-Polaritonen, die langwelliges Terahertz- und mittleres Infrarotlicht auf die Nanoskala komprimieren können. Die inhärente optische Anisotropie vieler Festkörpermaterialien führt zu faszinierenden Phänomenen von nanoskaligem Licht, wie gerichteter, strahlenartiger Ausbreitung und Hyperlensing-Effekten. Zur Untersuchung dieser Effekte nutzen wir streuungsbasierte Nahfeldmikroskopie (s-SNOM), nichtlineare optische Mikroskopie und numerische Modellierung. Wir suchen aktiv nach neuen Materialien, welche die Funktionalität und spektrale Abdeckung polaritonischer Systeme erweitern.

Ausgewählte Publikationen:

Optical Anisotropy of 2D van der Waals Materials
chapter in F.J. García de Abajo et al. Roadmap for Photonics with 2D Materials
N.S. Mueller, A. Paarmann, P. Alonso-González, A.Y. Nikitin, A. Alú, T. Low, V. Volkov, L. Martín-Moreno, and J.D. Caldwell
arXiv 2504.04558 (2025)

Ultraconfined THz Phonon Polaritons in Hafnium Dichalcogenides
R.A. Kowalski*, N.S. Mueller*, G. Álvarez-Pérez, M. Obst, K. Diaz-Granados, G. Carini, A. Senarath, S. Dixit, R. Niemann, R.B. Iyer, F.G. Kaps, J. Wetzel, J.M. Klopf, I.I. Kravchenko, M. Wolf, T.G. Folland, L.M. Eng, S.C. Kehr, P. Alonso-Gonzalez, A. Paarmann, and J.D. Caldwell
arXiv 2502.09909 (2025)

Nichtlineare Optische Mikroskopie und Aufwärtskonversion

Wir nutzen nichtlineare optische Prozesse, um Symmetrieeigenschaften von niederdimensionalen Materialien zu untersuchen und Licht zwischen verschiedenen Spektralbereichen umzuwandeln. Besonders interessiert uns die Summenfrequenzerzeugung (SFG), bei der ultraschnelle Laserpulse im mittleren Infrarot mit sichtbarem Licht gemischt werden, um höherenergetische Photonen zu erzeugen. Mit SFG-Mikroskopen am Fritz-Haber-Institut (AG Paarmann, AG Thaemer, AG Fellows) war es möglich, Infrarot-Materialanregungen mit einer Ortsauflösung unterhalb des Beugungslimits abzubilden – darunter Ausbreitungsmuster von Phonon-Polaritonen, starke Kopplung in Meta-Oberflächen und kristallografische Abbildungen von hexagonalem Boronnitrid. Im Rahmen des Emmy-Noether-Projekts wollen wir SFG und verwandte nichtlineare Prozesse in ein Nahfeldmikroskop integrieren, um eine nanoskalige räumliche Auflösung zu erreichen. Damit wollen wir Symmetrieeigenschaften von 2D-Quantenmaterialien sowie die Kopplung verschiedener Materialanregungen über Spektralbereiche hinweg untersuchen

Ausgewählte Publikationen:

Full Crystallographic Imaging of Hexagonal Boron Nitride Monolayers with Phonon-Enhanced Sum-Frequency Microscopy
N.S. Mueller*, A.P. Fellows*, B. John, A.E. Naclerio, C. Carbogno, K. Gharagozloo-Hubmann, D. Baláž, R.A. Kowalski, H.H. Heenen, C. Scheurer, K. Reuter, J.D. Caldwell, M. Wolf, P.R. Kidambi, M. Thämer, and A. Paarmann
arXiv 2504.15939 (2025)

Spectroscopic and Interferometric Sum-Frequency Imaging of Strongly Coupled Phonon Polaritons in SiC Metasurfaces
R. Niemann*, N.S. Mueller*, S. Wasserroth, G. Lu, M. Wolf, J.D. Caldwell, and A. Paarmann
Advanced Materials 36, 2312507 (2024)

Ultrastarke Licht-Materie Kopplung (USC)

Im Ultrastrong-Coupling-Regime wird die Licht-Materie-Kopplung so stark, dass sie die Anregungsenergie des Materials erreicht oder übersteigt. Das führt zu besonderen physikalischen Phänomenen, wie Vakuum-induzierte Veränderungen von Materialeigenschaften und Phasenübergänge. Während USC traditionell in der Cavity-Quantenelektrodynamik untersucht wird, zeigen aktuelle Arbeiten, dass Anregungen in vielen Festkörper- und selbstorganisierten Materialien – wie Phonon-, Exziton- und Plasmon-Polaritonen – dieses Regime auch ohne externe optische Resonatoren erreichen. In solchen Systemen wird Licht ein integraler Bestandteil des Material-Grundzustands. Wir untersuchen USC in diesen Materialien mit mikroskopischen Theorien und arbeiten an Experimenten, um Materialeigenschaften durch Hybridisierung mit Licht gezielt zu beeinflussen.

Ausgewählte Publikationen:

Ultrastrong Light-Matter Coupling in Materials
N.S. Mueller, E.B. Barros, and S. Reich
arXiv 2505.06373 (2025)

Deep Strong Light-Matter Coupling in Plasmonic Nanoparticle Crystals
N.S. Mueller, Y. Okamura, B.G.M. Vieira, S. Juergensen, H. Lange, E.B. Barros, F. Schulz, and S. Reich
Nature 583, 780-784 (2020)