Interessante Synergie Neuer Lichtschalter reagiert sehr viel schneller als Transistoren

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Ein neuartiger Lichtschalter aus extrem dünnen Halbleiterschichten, schaltet rund 10.000-mal schneller als ein elektronischer Transistor, informieren Oldenburger Forscher ...

Ein Physikteam der Universität Oldenburg hat einen ultraschnellen Schaltprozess nachgewiesen, der künftig in optischen Bauelementen zum Einsatz kommen könnte. Die Forschenden entwickelten einen Lichtschalter der etwa 10.000-mal schneller funktioniert als ein üblicher Transistor aus der Elektronikwelt, wie er in Computern zu finden ist, aber rund 1.000-mal langsamer reagiert. In der Zeitschrift Nature Nanotechnology stellt das Team das sogenannte „aktive Metamaterial“ vor, das aus Silber und einer extrem dünnen Wolframdisulfid-Schicht als Halbleitermaterial besteht. Das Ganze lässt sich dann in einen schnell schaltbaren Spiegel verwandeln. Im Prinzip, so erklären die Oldenburger, hat man dann einen optischen Transistor, der diese Schaltgeschwindigkeiten erlaubt. Wie die Forscher berichten, sind solche ultraschnellen Lichtschalter insbesondere für die optische Datenverarbeitung von großem Interesse, weil die Information, die man pro Zeiteinheit damit übertragen kann, drastisch in die Höhe geht. Auch bei der Chipherstellung, in optischen Sensoren oder Quantencomputern könnten Nanolichtschalter interessante Wege bieten.

Wie man solch ultraschnelle optische Schalter baut ...

Nun, das Ziel des internationalen Teams unter der Leitung der Oldenburger Universität bestand darin, ein Material zu finden, dessen Reflexionseigenschaften sich in einem Zeitraum von wenigen Femtosekunden gezielt durch einen Laser verändern – so also „schalten“ lassen. (Eine Femtosekunde entspricht übrigens dem Millionstel einer Milliardstel Sekunde). Für die Studie verwendete man demnach ein dünnes Silberplättchen, auf dessen Oberfläche ein Gitter aus rund 45 Nanometer breiten und tiefen, parallelen Rinnen eingefräst wurde. Darüber brachten die Kollegen von der University of Cambridge die extrem dünne Halbleiterschicht auf. Dieser Film aus Wolframdisulfid war aus nur einer Monolage des Kristalls aufgebaut – also nur rund drei Atomdurchmesser dick. Durch diese Kombination offenbarte sich eine ungewöhnliche Reaktion auf Licht, heißt es weiter. Denn keines der beiden Materialien reagiere von sich aus so auf Lichtimpulse, das zeige sich nur im Mix, weshalb man auch von einem aktiven Metamaterial spricht.

Gezielte Veränderung des Reflektionsvermögens

An der Oberfläche dieser Nanostruktur lässt sich, wie man weiter erfährt, eingestrahltes Licht für rund 70 Femtosekunden in Form eines besonderen Quantenzustands – eines sogenannten Exziton-Plasmon-Polaritons speichern, bevor es letztlich doch vom Silber 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, wobei es in eine starke Wechselwirkung mit den Elektron-Loch-Paaren der Halbleiterschicht, den sogenannten Exzitonen, kommt, wie die Forscher erklären. Der Clou: Während dieser Speicherzeit kann man die Reflektivität der Schicht gezielt steuern. Die Experten nutzen dafür einen extern einstrahlenden Laserpuls, um die Wechselwirkung zwischen Exzitonen und Plasmonwelle zu variieren. Schon frühzeitig sei es so gelungen, die Helligkeit des reflektierten Lichts um bis zu zehn Prozent zu verändern. Das sei erstaunlich viel, betonen die Forscher. Man glaubt nun auch, noch mehr herauskitzeln zu können.

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