Ein Lichtschalter aus extrem dünnen Halbleiterschichten
Silber-Nanospiegel ist 10.000-mal schneller als ein elektronischer Transistor.
Ein Physikteam der Universität Oldenburg hat einen ultraschnellen Schaltprozess nachgewiesen, der künftig in optischen Bauelementen zum Einsatz kommen könnte. Die Forschenden entwickelten einen Lichtschalter aus einem „aktiven Metamaterial“ aus Silber und Wolframdisulfid, der sich 10.000-mal so schnell schalten lässt wie ein elektronischer Transistor. Dieser schaltbare Spiegel ist als ultraschneller optischer Transistor 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. Für die Studie verwendeten die Forschenden ein dünnes Silberplättchen, auf dessen Oberfläche sie ein Gitter aus rund 45 Nanometer breiten und tiefen, parallelen Rinnen einfrästen. Darüber brachten Teammitglieder von der University of Cambridge eine extrem dünne Halbleiterschicht auf. Der Film aus dem Halbleitermaterial Wolframdisulfid bestand aus nur einer Monolage des Kristalls, war also drei Atomdurchmesser dick.
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 Christoph 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 siebzig Femtosekunden in Form eines besonderen Quantenzustands, eines 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 von Plasmonwellen entlang der Oberfläche der Halbleiterschicht aus. Dabei tritt es in eine starke Wechselwirkung mit den Elektron-Loch-Paaren der Halbleiterschicht, den Exzitonen.
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„Während dieser Speicherzeit konnten wir die Reflektivität der Schicht gezielt steuern“, erklärt Daniel Timmer vom Oldenburger Institut für Physik. 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 zehn Prozent zu ändern – ein erstaunlich großer Wert, der sich durch Optimierung des Materials wahrscheinlich noch steigern lässt.
Timmer und sein Kollege Moritz 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.
„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. [U Oldenburg / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
D. Timmer, M. Gittinger, T. Quenzel, et al., Ultrafast transition from coherent to incoherent polariton nonlinearities in a hybrid 1L-WS2/plasmon structure, Nat. Nanotechnol., 21. Januar 2026; DOI: 10.1038/s41565-025-02054-4 - Ultraschnelle Nano-Optik (Christoph Lienau), Institut für Physik, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Anbieter
Carl von Ossietzky Universität OldenburgAmmerländer Heerstraße 114-118
26129 Oldenburg
Deutschland
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