Organischer Pikosekunden-Schalter

Für die moderne Daten­übertragung kann eigentlich kein Schalter schnell genug sein. In optischen Netzwerken verrichten elektro­optische Komponenten ihren Dienst, die aus anorga­nischen Halb­leitern bestehen. Mit solchen Bauteilen sind bereits sehr hohe Datenraten bei einigen Gigahertz möglich. Aber selbst Hochleistungs­elektronik, etwa aus Gallium­arsenid, lässt sich nicht beliebig rasch takten. Hier könnten spezielle organische Kristalle, deren Polari­sation sich extrem schnell umschalten lässt, für einen weiteren deutlichen Geschwindigkeits­zuwachs sorgen.

Eine japanische Forscher­gruppe um Hiroshi Okamoto von der Universität Tokyo hat nun zum ersten Mal einen neuartigen Typ solcher orga­nischer Kristalle untersucht, bestehend aus TTF-CA (Tetrathia­fulvalen-Chloranil). Bei Raum­temperatur waren diese Kristalle para­elektrisch. Bei Abkühlung unter die kritische Temperatur von 81 Kelvin zeigten sie aller­dings Ferro­elektrizität.

Dabei spielt der Ladungs­transfer zwischen TTF als Donor- und CA als Akzeptor-Molekül eine entscheidende Rolle. TTF-CA-Kristalle sind neutrale van-der-Waals-Kristalle, bei denen sich die moleku­laren Orbitale von Donor und Akzeptor überlappen. Dadurch kommt es zu einem leichten Ladungs­transfer zwischen beiden Molekülen. Bei tiefen Tempera­turen unterhalb von 81 Kelvin wird der Einfluss der langreich­weitigen Coulomb-Kräfte stark genug und der Kristall geht in die ionische Phase über. Dabei wird der Ladungs­transfer deutlich stärker – der Kristall wird ferro­elektrisch. Im Gegen­satz zu anderen ferro­elektrischen Substanzen ist bei diesen Kristallen allerdings nicht eine Verschiebung der Moleküle verant­wortlich, sondern die Neuver­teilung der Elektronen.

Diese ließ sich auch oberhalb der kri­tischen Temperatur mit Hilfe eines starken elek­trischen Feldes beein­flussen. „Wir können den Brechungs­index und die Absorption dieser Kristalle mit einem mono­zyklischen elek­trischen Puls blitzschnell ändern”, sagt Okamoto. Die Forscher bestrahlten die TTF-CA-Kristalle hierzu mit ultra­kurzen Terahertz­pulsen. Diese erzeugten sie mit einem Titan-Saphir-Laser, den sie in einen Pump- und einen Probe-Puls zerlegten und zu geeigneten Wellen­längen konver­tierten. Der Pump-Puls hatte dabei eine elek­trische Feld­stärke von rund 400 Kilovolt pro Zenti­meter.

Oberhalb der kri­tischen Temperatur beobachteten die Forscher darauf eine über­raschend empfind­liche und schnelle Reaktion des Kristalls auf die einge­strahlten Terahertz­pulse. Der Kristall änderte seine Polari­sation innerhalb einer Piko­sekunde. Bei einer Temperatur von 90 Kelvin stieg die Polari­sation zunächst auf immerhin knapp ein Fünftel ihres Wertes bei 65 Kelvin – zeigte also deutlich ferro­elektrisches Verhalten wie in der ionischen Phase.

Mit zuneh­menden Tempera­turen nahm dieser Effekt zwar stetig leicht ab, war aber auch bei 260 Kelvin immer noch nach­weisbar. Die Wissen­schaftler erklären sich dieses extrem schnelle Ansprechen durch die Bewegung von Domänen­wänden der neutralen und ionischen Domänen im Kristall. Oberhalb der kri­tischen Temperatur liegen sowohl ionische als auch nicht-ionische Zonen im Kristall vor, deren Verhältnis sich durch das elektrische Feld des Terahertz­pulses verschieben lässt. Wie die Forscher anhand spektro­skopischer Unter­suchungen fest­stellen konnten, vergrößerte sich der Ladungs­transfer zwischen den Molekülen durch den Terahertz­puls um gut ein Viertel und die Größe der ionischen Domänen um fast die Hälfte. Diese induzierte elek­tronische Ferro­elektrizität ist der Grund für die überr­aschend gute und schnelle Schalt­barkeit der TTF-CA-Kristalle. Diese liegt theoretisch rund zwei bis drei Größen­ordnungen über den heute eta­blierten Materia­lien.

Für die moderne Hoch­leistungs­elektronik werden aber vermutlich nochmals neue Materia­lien notwendig sein. Die TTF-CA-Kristalle eignen sich nur für die Grundlagen­forschung und nicht für praktische Anwen­dungen. „Sie sind an Luft nicht stabil, sie lassen sich schlecht verar­beiten und man kann sie auch nicht in nass­chemischen Verfahren herstellen”, erläutert Okamoto. Um die Kristalle zu erzeugen, mussten die Forscher deshalb zur Ko-Sublimation greifen – ein Verfahren, das sie vor gut zehn Jahren bereits entwickelt hatten. Bei diesem aufwän­digen Prozess bildet sich der TTF-CA-Kristall aus der Gasphase von gerei­nigten TTF- und CA-Kristallen, die gemeinsam erhitzt werden. Die Wissen­schaftler aus Tokio wollen deshalb in Zukunft neue Materialien untersuchen, die sich besser als elektro­optische Schalter eignen als die empfind­lichen TTF-CA-Kristalle.

Um derart schnelle Schalt­raten in einem optischen Daten­übertragungs­system einsetzen zu können, bräuchte man aber nicht nur leichter herzu­stellende und robustere Kristalle, die auch bei Raum­temperatur noch das gewünschte Verhalten zeigen. Ins­besondere benötigt man auch neuartige Laser­systeme, die monozyklische Terahertzpulse mit einem Abstand von nur einer Pikosekunde aussenden können.

Dirk Eidemüller

JOL