Ultraschnelles Schalten eines optischen Bits
Wirbelzustände in einer Quantenflüssigkeit mithilfe ultrakurzer Laserpulse manipuliert.
Forschern der Uni Paderborn und der TU Dortmund ist es gelungen, ein optisches Bit zu realisieren, das nur mithilfe von Licht auf einen Chip geschrieben und gezielt kontrolliert werden kann. Neben dem fundamentalen Interesse birgt das großes Potenzial für die optoelektronische Informationsverarbeitung. Das Team um Stefan Schumacher und Xuekai Ma von der Uni Paderborn und Marc Aßmann und Bernd Berger von der TU Dortmund untersuchte bestimmte Wirbelzustände, die sich in einer optisch angeregten Quantenflüssigkeit ausbilden.
„Diese Wirbel können in zwei verschiedene Richtungen rotieren. Die beiden Drehrichtungen entsprechen den Einstellungen eines Bits, also Eins oder Null“, erklärt Schumacher. „Die Anregung erfolgt mit einem ringförmigen Laserprofil, in dessen Mitte sich ein Wirbel in der vom Laser angeregten Quantenflüssigkeit ausbildet. Ein zusätzlicher kurzer Laserpuls bewirkt dann das Umschalten der Drehrichtung, sodass das Bit gezielt entweder auf Null oder auf Eins eingestellt und auch nachträglich umgeschaltet werden kann.“ Mit dem gezielten Umschalten können dann auch gespeicherte Informationen besonders schnell geändert werden.
Ähnliche Wirbel werden derzeit in vielen physikalischen Systemen hinsichtlich möglicher Anwendungen in der Informationsspeicherung und -verarbeitung untersucht. „Oftmals wird dabei aber nur die Existenz oder Erzeugung der Wirbel studiert. Wir demonstrieren hier auch die effiziente Manipulation mithilfe ultrakurzer Laserpulse, sodass wir die Drehrichtung eines Wirbels, und damit die optisch gespeicherte Information, in weniger als einem Milliardstel einer Sekunde gezielt umschalten können,“ erklärt Ma.
„Ein besonderer Erfolg ist auch die praxisnahe experimentelle Umsetzung“, sagt Berger. „Die Drehrichtung des Wirbelzustands wird im Labor direkt über den räumlichen Drehimpuls des emittierten Lichts gemessen.“ Das Konzept sei außerdem durch die ausschließlich nichtresonante und damit inkohärente optische Anregung grundsätzlich auch mit elektrischer statt mit optischer Herangehensweise kompatibel. Die der Arbeit zugrunde liegende Idee wurde von Ma entwickelt. In enger Zusammenarbeit mit den Kollegen um Aßmann ist es dann gelungen, das theoretische Konzept auch experimentell umzusetzen.
U. Paderborn / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
X. Ma et al.: Realization of all-optical vortex switching in exciton-polariton condensates, Nat. Commun. 11, 897 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-14702-5 - Theorie funktionaler photonischer Strukturen (S. Schumacher), Dept. Physik, Universität Paderborn
- Experimentelle Physik 2, Fklt. Physik, Technische Universität Dortmund
