Nanostruktur schaltet Licht 10.000-mal schneller

Ein optischer Schalter aus Silber und atomdünnem Halbleiter kontrolliert Licht in wenigen Femtosekunden (fs) – ein möglicher Baustein für künftige photonische Chips.

Ein Physik-Team der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg hat gemeinsam mit internationalen Partnern einen ultraschnellen optischen Schalter demonstriert, der rund 10.000-mal schneller arbeitet als herkömmliche elektronische Transistoren. Grundlage ist eine Hybrid-Nanostruktur aus Silber und einer atomar dünnen Halbleiterschicht. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Kern des Aufbaus ist ein Silber-Nanoarray mit etwa 45 nm breiten und tiefen Rillen, auf das eine nur drei Atome starke Schicht aus Wolframdisulfid aufgebracht wurde. Ziel der Experimente war es, die Reflektivität des Materials mit einem fokussierten Laser innerhalb weniger Femtosekunden gezielt zu verändern. Eine Femtosekunde entspricht einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Hybridzustand speichert Licht für rund 70 fs

Erst die Kombination beider Materialien erzeugt den beobachteten Effekt: Das einfallende Licht wird kurzzeitig in einem sogenannten Exziton-Plasmon-Polaritonen gespeichert – einem Hybridzustand mit Eigenschaften von Licht und Materie. Während dieser etwa 70 fs dauernden Phase breiten sich Plasmonen über die Halbleiterschicht aus und koppeln stark mit gebundenen Elektron-Loch-Paaren.

Über einen zusätzlichen Laserpuls veränderte das Team die Stärke dieser Kopplung und damit die Reflektivität der Struktur. In ersten Versuchen ließ sich die Helligkeit des reflektierten Lichts um bis zu zehn Prozent modulieren. Untersucht wurde der Prozess mit zweidimensionaler elektronischer Spektroskopie (2DES), die zeitaufgelöste Einblicke in quantenphysikalische Wechselwirkungen erlaubt.

Die Forschenden nutzten dabei ultrakurze Lichtpulse, die kürzer waren als der eigentliche Schaltvorgang. So konnten einzelne Phasen des Effekts in Abständen von wenigen Femtosekunden aufgezeichnet werden. Beteiligt waren neben dem Oldenburger Team unter Leitung von Physikprofessor Christoph Lienau auch Gruppen der University of Cambridge, des Politecnico di Milano sowie der Technische Universität Berlin.

Perspektiven für photonische Bauelemente

Die Forschenden sehen Anwendungspotenzial vor allem in der optischen Datenverarbeitung. Elektronische Transistoren in heutigen Computern oder Displays schalten demnach etwa tausendmal langsamer. Nanoskalige Lichtschalter könnten deshalb langfristig höhere Taktraten ermöglichen und neue Optionen für photonische Chips, optische Sensorik oder Quantenhardware eröffnen. Entscheidend sei nun, aktive Metamaterialien gezielt zu entwerfen und weiter zu optimieren.