Optischer Schalter für Nanolicht

Forscher in Hamburg und den Vereinigten Staaten haben einen neuartigen Weg für die Program­mierung eines Schicht­kristalls entwickelt, der Abbildungs­fähigkeiten jenseits der üblichen Grenzen erzeugt. Die Entdeckung des Teams von der Columbia University, dem Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, der University of California-San Diego, der University of Washington und dem Flatiron Institute ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Kontrolle von Nanolicht, welches die kleinsten vorstell­baren Längenskalen erreichen kann. Die Studie liefert zudem Erkenntnisse für das Gebiet der optischen Quanten­informations­verarbeitung, welche Lösungen für schwierige Probleme in der Daten­verarbeitung und Kommuni­kation verspricht. 

„Wir nutzen die ultra­schnelle Mikro­skopie im Nanobereich, um unsere Kristalle auf neuartige Weise mit Licht zu kontrollieren und schwer fassbare photonische Eigen­schaften nach Belieben ein- und auszuschalten“, sagte Aaron Sternbach, Post­doktorand an der Columbia University. „Die Effekte sind kurzlebig und dauern nur Billionstel einer Sekunde an, aber wir sind nun in der Lage, diese Phänomene deutlich zu beobachten.“ In ihren Experi­menten untersuchten die Columbia-Forscher den Van-der-Waals-Kristall Wolfram­diselenid, der aufgrund seiner einzigartigen Struktur und seiner starken Wechsel­wirkungen mit Licht für elek­tronische und photonische Technologien von großem Interesse ist. Mithilfe von Lichtpulsen veränderten die Wissenschaftler die elek­tronische Struktur des Kristalls – eine Art optischer Schaltvorgang. Die neu erzeugte Struktur ermöglichte etwas sehr Unge­wöhnliches: Feinste Details auf der Nanoskala konnten durch den Kristall transportiert und auf seiner Oberfläche abgebildet werden. 

Diese Arbeit eröffnet eine neue Methode zur Kontrolle des Nanolicht­flusses. Optische Mani­pulation auf der Nanoskala, oder Nanophotonik, ist heutzutage ein wichtiges Forschungs­gebiet – vor allem angesichts der ständig steigenden Nachfrage nach Techno­logien, die die Kapazitäten der konven­tionellen Photonik und Elektronik weit übersteigen. „Die neuen licht­induzierten elek­tronischen Zustände ermöglichen nicht nur die Ausbreitung von Nanolicht, sondern könnten in Zukunft selbst genutzt werden, um ein tieferes mikro­skopisches Verständnis der ultraschnellen Elektronen­dynamik in dieser Material­klasse zu erlangen“, sagt Simone Latini, Postdoktorand in der Theorie­abteilung des MPSD. Dmitri Basov, Higgins-Professor für Physik an der Columbia University, ist überzeugt, dass die Ergebnisse des Teams neue Forschungs­bereiche in der Quanten­materie eröffnen werden: „Laserpulse haben es uns ermöglicht, einen neuen elektronischen Zustand in diesem proto­typischen Halbleiter zu erzeugen, wenn auch nur für ein paar Piko­sekunden. Diese Entdeckung bringt uns auf den Weg zu optisch programmier­baren Quantenphasen in neuen Materialien.“

MPSD / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. J. Sternbach et al.: Programmable hyperbolic polaritons in van der Waals semiconductors, Science 371, 617 (2021); DOI: 10.1126/science.abe9163
• Gruppe Theorie, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg
• Dept. of Physics, Columbia University, New York