Nanophotonik: Forscher verbessern optische Lichtschalter
Licht mit Licht zu schalten, klingt erst einmal nach Sciencefiction, ist aber praktisch machbar. Forscher setzen dabei seit einigen Jahren auf nanostrukturierte Halbleiter wie Silizium. Die haben, im Vergleich mit älteren Ansätzen, zwei große Vorteile: Sie erfordern keine aufwendigen Strukturen und es existieren einfache und genaue Mechanismen zur Bearbeitung. Ein Forschungsteam der Ludwig-Maximilians-Universität München haben diese optischen Lichtschalter nun deutlich verbessert(öffnet im neuen Fenster) .
Sie arbeiten mit sogenannten Resonatoren, die für Licht einer bestimmten Wellenlänge (Resonanzfrequenz) undurchlässig sind. Die Durchlässigkeit kann allerdings durch Anregung mit einem kurzen Lichtimpuls (Pumpimpuls) verändert werden. Der Pumpimpuls hat dabei eine andere Wellenlänge als das geschaltete Licht. Das ist an sich nichts Neues und wurde für Nanostrukturen bereits zuvor gezeigt (PDF)(öffnet im neuen Fenster) .
Effektiver als bisherige Ansätze
Die Münchener Forscher erreichen allerdings mit ihrem Ansatz eine deutlich höhere Güte (sprich: geringere Verluste) und können die Durchlässigkeit stärker steuern. Während bisherige Ansätze Licht eher dimmen, kann es nun effektiv ein- und ausgeschaltet werden. Um zu verstehen, wie genau das funktioniert, müssen wir einen Blick in die Veröffentlichung der Forscher im Journal Nature werfen(öffnet im neuen Fenster) .
Beeinflusst wird das Licht durch drei Faktoren: Die Differenz zur Resonanzfrequenz des Resonators, intrinsische Verluste (durch Streuung und imperfekte Reflexion) sowie Strahlungsverluste. Letztere nutzen die Münchener Forscher, denn der Strahlungsverlust bietet die beste Kontrolle der Durchlässigkeit. Nur über diesen Faktor kann das Material vollständig undurchlässig gestaltet werden.
Geometrisch asymmetrisch, optisch symmetrisch
Auch erfahren wir, dass die Forscher auf sogenannten SP-BICs (symmetry-protected bound states in continuum) aufbauen. Dabei handelt es sich um symmetrische Elemente aus mindestens zwei gleichen, stabförmigen Nanostrukturen.
In diesen kleinen Strukturen bestimmen die elektrischen und magnetischen Dipolmomente die Interaktion mit Licht, sie haben spezifische Resonanzfrequenzen. Das können mehrere sein, die auch noch von der Polarisation des Lichts abhängen. Werden die Strukturen mit der passenden Wellenlänge beleuchtet, kann sich eines ihrer Dipolmomente drastisch ändern. Bei identischer Größe der Strukturen sind die Dipolmomente der einzelnen Stäbe stets betragsgleich, aber gegensätzlich ausgerichtet, heben sich also auf.
Neu an den von den Münchener Forschern entwickelten Elementen ist, dass die beiden Komponenten der Nanostrukturen unterschiedliche Formen haben. Dennoch können sie so gestaltet werden, dass sich ihre Dipolmomente im Ruhezustand wie bei SP-BICs aufheben. Allerdings weisen die beiden einzelnen Stäbe aufgrund der unterschiedlichen Größe verschiedene Resonanzfrequenzen ihrer Dipolmomente auf.
Ungleichheit ermöglicht individuelle Kontrolle
Hierdurch kann ein Pumpimpuls mit passender Frequenz einen der beiden Dipolmomente eines Stabs kurzzeitig verändern. Der andere Stab hingegen wird davon kaum oder gar nicht beeinflusst. Ermöglicht wird das durch Anregung von Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband, durch Rekombination wird der Ausgangszustand wiederhergestellt. Diese Änderung verschiebt auch die optischen Eigenschaften: Ein undurchlässiges Material kann für kurze Zeit durchlässig werden und umgekehrt, ein Durchlassband kann verbreitert oder verkleinert (geschärft) werden. Hierzu müssen allerdings jeweils passende Strukturen entworfen werden.
Mögliche Anwendungen sehen die Forscher neben optischen bei Quantencomputern sowie in der Datenübertragung.