Mehrfarbiges optisches Schalten ist ein wichtiges Phänomen mit potenziellen Anwendungen in Bereichen wie Telekommunikation und optischer Datenverarbeitung. Die meisten Materialien weisen jedoch unter intensiver Laserbestrahlung typischerweise eine monochromatische optische Nichtlinearität auf, was ihren Einsatz in Systemen mit Mehrfarben- oder Mehrbandschaltfähigkeit einschränkt. Derzeit basieren die meisten optischen Schalter auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), die zum Betrieb eine elektrische Spannung oder einen Strom benötigen, was zu langsamen Reaktionszeiten führt.

Um diese Forschungslücke zu schließen, untersuchte ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Junjun Jia von der Fakultät für Naturwissenschaften und Ingenieurwesen der Waseda-Universität (Japan) in Zusammenarbeit mit Professor Hui Ye und Dr. Hossam A. Almossalami von der Fakultät für Optische Wissenschaften und Ingenieurwesen der Zhejiang-Universität (China), Professor Naoomi Yamada vom Institut für Angewandte Chemie der Chubu-Universität (Japan) und Dr. Takashi Yagi vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (NIAIT) in Japan das Phänomen des optischen Mehrfarbenschaltens in Germaniumfilmen. Sie konzentrierten sich darauf, wie intensive Laserstrahlung ultraschnelles optisches Schalten über mehrere Wellenlängen in Germanium, einem Halbleiter mit mehreren Valenzbändern, induziert. Ihre Studie demonstrierte die Effizienz des optischen Mehrfarbenschaltens mithilfe eines monochromatischen Pulslasers, wodurch die Einschränkungen herkömmlicher monochromatischer optischer Nichtlinearitäten überwunden werden können. Ihre Forschungsergebnisse wurden am 24. Februar 2025 in Physical Review Applied veröffentlicht.
Durch die Bestrahlung von Germanium (Ge) mit einem intensiven gepulsten Laser erreichte das Team ein ultraschnelles Umschalten zwischen Transparenz und Opazität über einen weiten Wellenlängenbereich. Zeitaufgelöste Femtosekunden-Transmissionsmessungen zeigten ultraschnelles optisches Schalten sowohl im Γ- als auch im L-Tal, bedingt durch Streuung innerhalb und zwischen den Tälern. „Unsere Ergebnisse bestätigen, dass die intensive Laserbestrahlung von Ge-Filmen ultraschnelles optisches Schalten über mehrere Wellenlängen ermöglicht. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Transparenz eines Materials zu steuern und neue Wege für potenzielle Anwendungen in der optischen Kommunikation, im optischen Rechnen und darüber hinaus zu beschreiten“, erklärt Professor Jia.
Es zeigte sich, dass dieses optische Schalten über mehrere Täler stark von der Bandstruktur von Ge abhängt. Experimentelle Messungen legen nahe, dass das transiente Signal stark vom jeweiligen Bereich der Bandstruktur beeinflusst wird. So zeigen beispielsweise die Transienten-Transmissionsspektren eine Trennungsenergie von 240 meV am hochsymmetrischen L-Punkt. „Die sorgfältige Auswahl der Sondierungsenergien, basierend auf der mit der HSE06-Funktion berechneten Bandstreuung und Spin-Bahn-Kopplungseffekten, ermöglichte es uns, die transiente elektronische Besetzung sowohl im Γ- als auch im L-Tal präzise zu erfassen“, erklärt Professor Jia. Dadurch können Streuzeiten zwischen und innerhalb von Tälern in Materialien mit mehreren Tälern aus transienten Messungen extrahiert werden.

Insgesamt unterstreicht diese Studie das bedeutende Potenzial von Germanium als Schlüsselmaterial für fortschrittliche optische Schaltkreise mit vielversprechenden Anwendungen in der Datenübertragung und im Hochleistungsrechnen. Durch die Ermöglichung der Transparenzsteuerung über mehrere Wellenlängen mittels eines monochromatischen Pulslasers eröffnet sie spannende Möglichkeiten für die Entwicklung ultraschneller optischer Schalter. „Diese Erkenntnis dürfte dem wachsenden Bedarf an höheren Datenraten und verbesserter Sicherheit angesichts des zunehmenden Internetverkehrs gerecht werden und stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung ultraschneller optischer Schaltelemente dar“, so Professor Jia abschließend.

Referenzautoren
: Junjun Jia1, Hossam A. Almossalami2, Hui Ye2, Naoomi Yamada3, Takashi Yagi4
Titel des Originalartikels: Optisches Multivalley-Schalten in Germanium

Zeitschrift: Physical Review Applied

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.23.024060
Veröffentlichungsdatum des Artikels: 24. Februar 2025

Zugehörigkeiten:
1Global Center for Science and Engineering (GCSE), Fakultät für Naturwissenschaften und Ingenieurwesen, Waseda-Universität, Japan;
2Fakultät für Optische Wissenschaft und Technik, Zhejiang-Universität, China;
3Abteilung für Angewandte Chemie, Chubu-Universität, Japan
; 4Nationales Institut für Metrologie Japans (NMIJ), Nationales Institut für fortgeschrittene Industrie- und Wissenschaftstechnologie (AIST), Japan

Über Professor Junjun Jia:
Junjun Jia ist Professor an der Fakultät für Naturwissenschaften und Ingenieurwesen der Waseda-Universität in Japan. Er promovierte 2011 an der Universität Tokio. Seine Forschungsschwerpunkte liegen im Design und der Herstellung funktionaler Festkörpermaterialien sowie in der Entwicklung von Festkörperbauelementen, darunter thermische Festkörperschaltungen, auf akustischen Wellen basierende Bauelemente und unsymmetrische elektronische Bauelemente. Zu seinen Interessengebieten zählen nichtlineare Optik, Nichtgleichgewichtsphysik und angeregte elektronische/phononische Strukturen in Festkörpermaterialien. Dr. Jia hat zahlreiche Artikel in Fachzeitschriften mit Peer-Review-Verfahren wie Advanced Functional Materials, Physical Review B und Physical Review Applied veröffentlicht. Er wurde mehrfach ausgezeichnet, unter anderem mit dem Waseda e-Teaching Award 2022. Er ist Mitglied in verschiedenen Gremien, darunter der Japanischen Gesellschaft für Materialforschung.