Optischer Turbo-Schalter aus Metamaterial
Bis zu 100 Milliarden Mal pro Sekunde lässt sich zwischen Reflexion und Absortion wechseln.
Optische Metamaterialien machen potenziell Dinge unsichtbar machen oder weisen eine negative Lichtbrechung auf. Möglich wird das durch ihre besondere Struktur: Metamaterialien bestehen aus winzigen maßgeschneiderten Nanopartikeln, die mit elektromagnetischer Strahlung auf völlig andere Weise wechselwirken als natürlich vorkommende Materialien. Die Nanostrukturierung zur Herstellung von Metamaterialien erfolgt zumeist mittels lithografischer Verfahren. Einem Team von Physikern der Staatlichen Universität Moskau, der Sandia National Laboratories in Albuquerque und der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es nun jedoch gelungen, ein Metamaterial zu entwickeln, deren nanoskopische Bausteine bis zu 100 Milliarden Mal in der Sekunde an- und ausgeschaltet werden können.
Abb.: Schematische Darstellung des schaltbaren Metamaterials. Die Nanozylinder aus Galliumarsenid sind rund 300 nm hoch. Werden sie mit Laserpulsen beleuchtet, absorbieren sie die Lichtteilchen. (Bild: M. Shcherbakov)
„Die Metamaterialien bestehen aus einer dünnen Schicht des Halbleiters Galliumarsenid, auf die Nanopartikel aufgebracht sind, die Lichtteilchen einfangen können“, erklärt Isabelle Staude von der Universität Jena. Wenn Licht auf das Material trifft, wird es in den Nanopartikeln eingeschlossen und kann mit dem Material wechselwirken. Die Nanopartikel bestehen ebenfalls aus Galliumarsenid, das von einem glasartigen Material umschlossen ist und haben eine Größe von 300 Nanometern.
Das Prinzip des schaltbaren Metamaterials beruht auf der Erzeugung von Elektronen und Elektronenlöchern im Halbleitermaterial durch die Einstrahlung von Licht. Durch die Lichtkonzentration in den Nanopartikeln wird dieser Effekt verstärkt. „Wenn wir das Metamaterial mit einem ultrakurzen Laserpuls beleuchten, so absorbieren die Nanopartikel die Lichtteilchen und regen darin die Elektronen und Elektronenfehlstellen an“, erläutert Staude. Die Gegenwart der Ladungsträger führt wiederum dazu, dass sich die optischen Materialeigenschaften des Galliumarsenids im Innern der Nanopartikel verändern. Dies wirkt sich dann direkt auf die optischen Eigenschaften des Metamaterials selbst aus: Während es in seinem Ausgangszustand eine spiegelnde Oberfläche besitzt, die das Licht reflektiert, verliert das Material seine reflektierende Eigenschaften durch die Absorption von Licht.
In Sekundenbruchteilen treffen anschließend Elektronen und Fehlstellen einander und löschen sich gegenseitig aus, was dazu führt, dass das Material seine spiegelnde Oberfläche wiedererlangt. „Diese Funktionsweise lässt sich in Zukunft vielleicht für die Konstruktion photonischer Bauelemente nutzen, beispielsweise in der optischen Signalübertragung oder für neue Mikroskopieverfahren“, sagt Staude. Bislang existiere das schaltbare Metamaterial lediglich im Labor. Bevor es auch in größerem Maßstab produziert werden wird, so erwartet die Jenaer Physikerin, sei jedoch noch weitere Grundlagenforschung nötig.
FSU Jena / JOL
