Eine Nanostruktur aus Silber und einer ultradünnen Halbleiterschicht lässt sich in einen schnell schaltenden Spiegel verwandeln – im Prinzip in einen optischen Transistor, der etwa 10.000-mal schneller schaltet als sein elektronisches Äquivalent. Diesen Effekt beschreibt ein internationales Team unter der Leitung von Physiker Prof. Dr. Christoph Lienau von der Universität Oldenburg in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology. Laut den Forschern sind diese ultraschnellen Lichtschalter besonders interessant für die optische Datenverarbeitung.
Ziel des Teams war es, ein Material zu finden, dessen Reflexionseigenschaften sich gezielt – oder „schalten“ – durch einen Laser innerhalb weniger Femtosekunden verändern lassen. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Für die Studie verwendeten die Forscher eine dünne Silberplatte, in deren Oberfläche sie ein Gitter aus parallelen Rillen mit einer Breite und Tiefe von etwa 45 Nanometern (Milliardstel Metern) einfrästen. Forscher der Universität Cambridge (UK) brachten darauf eine extrem dünne Halbleiterschicht auf. Der Film aus dem Halbleitermaterial Wolframdisulfid bestand aus einer einzigen Monolage des Kristalls, was bedeutet, dass er nur drei Atomdurchmesser dick war.
Nanostruktur mit ungewöhnlicher Lichtreaktion.
Dank dieser Kombination zeigte die Nanostruktur eine ungewöhnliche Reaktion auf Licht. „Keines der Materialien allein zeigt einen Schalteffekt“, betont Lienau. In Kombination in einer Nanostruktur reagieren beide Materialien jedoch auf völlig neue Weise. Daher bezeichnen die Forscher sie als aktives Metamaterial. Einfallendes Licht kann für etwa 70 Femtosekunden in Form eines speziellen Quantenzustands, eines sogenannten Polariton-Exziton-Plasmons, auf der Oberfläche der Nanostruktur gespeichert werden, bevor es reflektiert wird.
In diesem Zustand, der Eigenschaften von Licht und Materie vereint, breitet sich das Licht entlang der Oberfläche der Halbleiterschicht in Form von Plasmonenwellen aus. Dabei wechselwirkt es intensiv mit den Elektron-Loch-Paaren in der Halbleiterschicht, den sogenannten Exzitonen.
„Während dieser Speicherzeit konnten wir die Reflektivität der Schicht gezielt steuern“, erklärt Dr. Daniel Timmer vom Institut für Physik in Oldenburg, Erstautor der Studie zusammen mit Dr. Moritz Gittinger. Die Forscher nutzten einen externen Laserpuls, um die Intensität der Wechselwirkung zwischen den Exzitonen und der Plasmonenwelle zu verändern. In ersten Experimenten gelang es dem Team, die Helligkeit des reflektierten Lichts um bis zu 10 % zu modifizieren – ein überraschend hoher Wert, der sich durch Materialoptimierung wahrscheinlich noch steigern lässt.
Timmer und Gittinger untersuchten den Effekt mittels zweidimensionaler Elektronenspektroskopie (2DES). Diese experimentell anspruchsvolle Methode ermöglicht die Beobachtung von Quantenwechselwirkungsprozessen mit einer zeitlichen Auflösung von nur wenigen Femtosekunden, vergleichbar mit der Betrachtung eines Films. Kürzlich gelang es einem Team um Lienau, die Anwendung von 2DES deutlich zu vereinfachen und sie so für weitere Untersuchungen nutzbar zu machen. „In dieser Arbeit konnten wir erstmals ein Metamaterial dieser Art mit Lichtpulsen untersuchen, die kürzer waren als der beobachtete Schaltvorgang selbst“, betont Lienau. Dadurch konnten wir die verschiedenen Phasen des Phänomens in Intervallen von nur wenigen Femtosekunden aufzeichnen.
Mögliche Anwendungen: Chipherstellung, Sensoren und Quantencomputer.
„Unsere Ergebnisse sind von großem Interesse für die Entwicklung ultraschneller Lichtschalter im Nanobereich“, betont Lienau. Eine mögliche Anwendung ist die optische Datenverarbeitung. „Die pro Zeiteinheit übertragbare Informationsmenge würde sich mit dieser Art von Schalter drastisch erhöhen“, erklärt er. Zum Vergleich: Die Schaltzeit elektronischer Transistoren, die millionenfach in Computern oder LED-Fernsehern verwendet werden, ist etwa tausendmal länger.
Physikalisch gesehen sind optische Technologien daher die einzige Möglichkeit, die Taktfrequenz herkömmlicher Computer weiter zu steigern. Optische Nanoschalter könnten auch in der Chipherstellung, bei optischen Sensoren oder Quantencomputern spannende Möglichkeiten eröffnen. Lienau schlussfolgert: „Die wichtigste Aufgabe wird darin bestehen, aktive Metamaterialien so zu entwerfen, abzustimmen und zu optimieren, dass diese Anwendungen Realität werden.“
Neben dem Team aus Oldenburg waren auch Forscher der Universität Cambridge (Großbritannien), des Polytechnikums Mailand (Italien) und der Technischen Universität Berlin an der Studie beteiligt.
