Erster optischer ultraschneller Transistor für den Betrieb bei Zimmertemperatur

Einem Team des IBM Research Lab in Zürich ist es gemeinsam mit internationalen Partnern gelungen, den ersten kaskadierbaren, volloptischen Transistor für den Betrieb bei Zimmertemperatur zu realisieren. Das gelang dem Team durch die Nutzung der Materialeigenschaften eines organischen halbleitenden Polymers. Basierend auf diesem Material wurde eine Mikroresonator entwickelt, in dem ein ankommendes optisches Signal – ein Laserstrahl – ein- und ausgeschaltet oder durch einen anderen Laserstrahl verstärkt werden kann.

Rein optische Komponenten, die Informationen allein mit Licht manipulieren, könnten viel schnellere Schalt- und Logikvorgänge ermöglichen und Bausteine für neue Anwendungen wie das Routing von „fliegenden Qubits“ zur Quantenkommunikation und -transduktion oder dem „Blind Quantum Computing“ liefern. Um ein optisches Signal mit einem anderen optischen Signal zu schalten oder zu verstärken, wird ein Material benötigt, das die Wechselwirkung vermittelt. Es liegt in der Quantennatur von Photonen, dass sie im Vakuum nicht miteinander interagieren.

In dem neuartigen Transistor erfolgt die Wechselwirkung durch Exziton-Polaritonen. Diese Quasiteilchen entstehen in einem organischen Halbleiter wie etwa methylsubstituiertes Leiterpoly-(paraphenylen), kurz MeLPPP, das Ullrich Scherf an der Uni Wuppertal herstellt. Das Team hat eine 35 Nanometer dünne Schicht MeLPPP zwischen zwei hoch­reflektierende Spiegel gelegt, um einen optischen Resonator zu bilden, in dem Exziton-Polaritonen mit einem Laser erzeugt wurden. Ein Exziton-Polariton besteht aus der Superposition eines Exzitons – also eines Elektron-Loch-Paars – und eines Photons. Der neue Transistor gehört also in die Kategorie der organischen Polariton-Transistoren.

Der neue volloptische Transistor ist nicht nur der erste seiner Art, der bei Zimmertemperatur arbeitet, er bietet auch eine beispiellose 6.500-fache optische Signalverstärkung mit einer Bauteillänge von nur wenigen Mikrometern. Das ist 330-mal gröβer als die Verstärkung, die durch das beste anorganische Pendant erreicht wird, und ermöglicht die Kaskadier­barkeit, eine notwendige Voraussetzung für die Verwendung des Transistors für Logikgatter. In Experimenten zeigte die Resonatorstruktur auch die höchste jemals für einen optischen Transistor beobachtete optische Netto­verstärkung. Darüber hinaus lässt sich der Transistor ultraschnell im Sub-Picosekunden-Bereich schalten, was ihn in Bezug auf die Multi-Terahertz-Schaltgeschwindigkeit mit einigen früheren rein optischen Geräten vergleichbar macht, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass der Betrieb des Transistors keinen Tieftemperatur-Kryostaten erfordert.

Wichtig ist zudem, dass der organische Polaritonentransistor eine weitere Einschränkung beseitigt, die in seinen anorganischen Gegenstücken vorhanden ist und für praktische Zwecke relevant ist. In anorganischen Polaritonen-Mikroresonatoren muss der Pumplaser, mit dem die Transistorfunktion ausgelöst wird, unter ganz bestimmten Winkeln auf das Bauteil ausgerichtet sein. In dem organischen Transistor gibt es keine spezifischen Anforderungen an den Winkel des Pumplasers, was eine viel größere Flexibilität in der Geometrie ermöglicht und das Pigtailing, also das Anschliessen von Glasfaserkabeln an das optische Bauteil oder das Erstellen integrierter planarer Schaltungen ermöglicht.

Im verwendeten organischen Material sind die Energiezustände der Exziton-Polaritonen durch mehrere Polaritonen­zweige vorgegeben, die aus einer starken Licht-Materie-Wechselwirkung der Resonator-Photonen mit den Exzitonen entstehen. Die Strategie besteht darin, die bosonische Natur der Exziton-Polaritonen und das Auftreten starker Schwingungsanregungen im organischen Halbleiter zu nutzen, um eine lawinenartige Relaxation der Exzitonen auf den niedrigsten Polaritonenzweig auszulösen. Die Annahme, dass dieser Vibron-vermittelte Relaxationskanal stärker ist als die zahlreichen internen Konversionskanäle im Material, wurde durch die Experimente vollumfänglich bestätigt.

In einem ersten Schritt wird mit einem Pumplaser eine große Population von heißen Exzitonen erzeugt. Die Wellenlänge dieses Lasers is so abgestimmt, dass Exzitonen mit einer Energie von genau einem vibronischen Energiequantum über dem unteren Polaritonenzweig in dem Mikroresonator erzeugt werden. Die hier genutzte vibronische Anregung entspricht einer „atmenden Mode“, bei der die ringförmigen aromatischen Strukturen innerhalb des Polymers sich lungenähnlich abwechslungsweise zusammenziehen und ausdehnen. Wie bereits erwähnt, mussten sich die Wissenschaftler nur um die Energie der Pumplaser-Photonen kümmern, nicht aber um ihre Impulskomponente in der Ebene. Das ist möglich dank der sehr breiten Impulsverteilung der stark lokalisierten Exzitonen im Polymermaterial. Das bedeutet, dass die für anorganische Mikroresonatoren typischerweise strengen Anforderungen an das „Phase Matching“ in diesem System nicht zum Tragen kommen und somit unter fast jedem Winkel gepumpt werden kann.

Mit zunehmender Anregungsdichte beobachteten die Forscher einen Übergang vom linearen zum nichtlinearen Regime. Um den Schwellwert dieses Übergangs zu senken und die Relaxation der Exzitonen auf den Polaritonen-Grundzustand weiter zu beschleunigen, haben sie diesen Grundzustand mit Hilfe eines weiteren Laserstrahls bevölkert. Dieses Seeding erwies sich als sehr effektiv, um den Relaxationsprozess zu beschleunigen. Durch das Seeding des Polaritonen-Grundzustandes beobachteten sie fast doppelt so niedrige Schwellwerte für die Polaritonen-Kondensation, während die Relaxationsrate von Exzitonen zu Polaritonen bei gleicher nicht-resonanter optischer Anregungsdichte um den Faktor 50 erhöht wurde.

Die Schaltzeiten im Sub-Pikosekunden-Bereich wurden dank der Kombination aus ultraschneller Exzitonen-Relaxations­dynamik, die organischen Halbleitern eigen ist, und der Sub-Pikosekunden-Zerfallszeit innerhalb der Mikrokavität erreicht. Im verwendeten Aufbau bildete der Pumpstrahl den Adresszustand, der durch den weitern Kontrollstrahl gesteuert wurde. Schließlich haben die Forscher das Potenzial von organischen Polariton-Transistoren zur Kaskadierbarkeit durch die Implementierung einer zweistufigen, kaskadierten Verstärkung nachgewiesen. In ihrem System wird die Emission des Polaritonen-Kondensats der ersten Stufe wieder auf den Chip zurückgeleitet und durch einen zweiten Pumplaser weiter verstärkt. Darüber hinaus haben sie dieses Konzept der kaskadierten Verstärkung ausgenutzt, um OR- und AND-Logikgatter zu demonstrieren, indem sie drei Polariton-Transistoren auf dem gleichen Chip miteinander koppelten.

Die entwickelten Prinzipien der dynamischen Polaritonen-Kondensation in Kombination mit dem kürzlich beobachteten reibungsfreien Polaritonenfluss in organischen Mikroresonatoren ebnen den Weg für On-Chip-Schaltungen mit ultraschneller, volloptischer und logischer Funktionalität. Könnte man darüber hinaus starke Polariton-Polariton-Wechselwirkungen nutzen, bei denen gerade zu Beginn dieses Jahres mit anorganischen Mikroresonatoren wichtige Fortschritte erzielt wurden, ließen sich daraus optische Transistoren bauen, die mit sehr wenigen Photonen arbeiten könnten und damit die erforderliche Schaltenergie drastisch bis in den Attojoule-Bereich senken.

IBM Research / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. V. Zasedatelev et al., A room-temperature organic polariton transistor, Nat. Photonics 13, 378 (2019); DOI: 10.1038/s41566-019-0392-8
• IBM Research Zürich, Rüschlikon, Schweiz