Ein internationales Physikteam unter Leitung der Universität Oldenburg hat einen ultraschnellen Schaltprozess nachgewiesen, der künftig in optischen Bauelementen zum Einsatz kommen könnte. Der Lichtschalter besteht aus extrem dünnen Halbleiterschichten.
Eine Nanostruktur aus Silber und einer extrem dünnen Halbleiterschicht lässt sich in einen schnell schaltbaren Spiegel verwandeln – im Prinzip einen optischen Transistor, der etwa 10.000-mal schneller schaltet als das entsprechende elektronische Bauteil. Diesen Effekt beschreibt ein internationales Team unter Leitung des Physikers Prof. Dr. Christoph Lienau von der Universität Oldenburg in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Nanotechnology. Wie die Forschenden berichten, sind solche ultraschnellen Lichtschalter insbesondere für die optische Datenverarbeitung von großem Interesse.
Das Ziel des Teams bestand darin, ein Material zu finden, dessen Reflexionseigenschaften sich in einem Zeitraum von wenigen Femtosekunden gezielt durch einen Laser verändern, also „schalten“ lassen. Eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Für die Studie verwendeten die Forschenden ein dünnes Silberplättchen, auf dessen Oberfläche sie ein Gitter aus rund 45 Nanometer (Milliardstel Meter) breiten und tiefen, parallelen Rinnen einfrästen. Darüber brachten Teammitglieder von der University of Cambridge (Großbritannien) eine extrem dünne Halbleiterschicht auf. Der Film aus dem Halbleitermaterial Wolframdisulfid bestand aus nur einer Monolage des Kristalls, war also drei Atomdurchmesser dick.
Nanostruktur mit ungewöhnlicher Reaktion auf Licht
Durch diese Kombination zeigte die Nanostruktur eine ungewöhnliche Reaktion auf Licht, wie das Team berichtet. „Keines der beiden Materialien allein weist einen Schaltereffekt auf“, betont Lienau. Doch vereint in einer Nanostruktur reagieren die beiden Materialien auf eine ganz neue Art, weshalb Forschende auch von einem aktiven Metamaterial sprechen: An der Oberfläche der Nanostruktur lässt sich eingestrahltes Licht für rund 70 Femtosekunden in Form eines besonderen Quantenzustands, eines sogenannten Exziton-Plasmon-Polaritons speichern, bevor es reflektiert wird. In diesem Zustand, der sowohl Eigenschaften von Licht als auch von Materie aufweist, breitet sich das Licht in Form sogenannter Plasmonwellen entlang der Oberfläche der Halbleiterschicht aus. Dabei tritt es in eine starke Wechselwirkung mit den Elektron-Loch-Paaren der Halbleiterschicht, den sogenannten Exzitonen.
„Während dieser Speicherzeit konnten wir die Reflektivität der Schicht gezielt steuern“, erklärt Dr. Daniel Timmer vom Oldenburger Institut für Physik, der gemeinsam mit Dr. Moritz Gittinger Erstautor der Studie war. Die Forschenden verwendeten einen externen Laserimpuls, um die Stärke der Wechselwirkung zwischen Exzitonen und Plasmonwelle zu verändern. Schon bei ihren ersten Experimenten gelang es dem Team auf diese Weise, die Helligkeit des reflektierten Lichts um bis zu 10 Prozent zu ändern – ein erstaunlich großer Wert, der sich durch Optimierung des Materials wahrscheinlich noch steigern lässt.
Timmer und Gittinger untersuchten den Effekt mit dem Verfahren der zweidimensionalen elektronischen Spektroskopie (2DES). Mit dieser experimentell herausfordernden Methode ist es möglich, quantenphysikalische Wechselwirkungsprozesse mit einer Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden zu beobachten wie in einem Film. Die Anwendung von 2DES konnte ein Team um Lienau erst kürzlich durch einen Trick deutlich vereinfachen und so für weitere Studien nutzbar machen. „In der aktuellen Untersuchung ist es uns erstmals gelungen, ein solches Metamaterial mit Lichtimpulsen zu untersuchen, die kürzer sind als der beobachtete Schaltprozess“, betont Lienau. Das habe es ermöglicht, die verschiedenen Stadien des Phänomens im zeitlichen Abstand von einigen Femtosekunden festzuhalten.
Mögliche Anwendungen: Chipherstellung, Sensoren und Quantencomputer
„Unsere Ergebnisse sind von großem Interesse, wenn man ultraschnelle Lichtschalter auf der Nanoskala realisieren will“, betont Lienau. Eine mögliche Anwendung sei zum Beispiel die optische Datenverarbeitung. „Die Information, die man pro Zeiteinheit übertragen kann, würde durch solche Schalter drastisch ansteigen“, erklärt Lienau. Zum Vergleich: Die Schaltzeit von elektronischen Transistoren, die in Computern oder LED-Fernsehern millionenenfach zum Einsatz kommen, ist etwa tausendmal so lang. Optische Technologien seien daher aus physikalischer Sicht die einzige Möglichkeit, die Taktrate herkömmlicher Computer noch weiter zu steigern. Auch bei der Chipherstellung, in optischen Sensoren oder Quantencomputern könnten Nanolichtschalter interessante Möglichkeiten bieten. Lienau unterstreicht: „Die wichtigste Aufgabe wird darin bestehen, aktive Metamaterialien so zu designen, maßzuschneidern und zu optimieren, dass entsprechende Anwendungen möglich werden.“
An der Studie waren neben dem Oldenburger Team Forschende von der University of Cambridge (Großbritannien), vom Politecnico di Milano in Mailand (Italien) und von der Technischen Universität Berlin beteiligt.
