Terahertzforschung: Photonischer Zeitkristall führt zu neuer Lasertechnik
Ein Forschungsteam der École polytechnique in Paris hat in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(öffnet im neuen Fenster) einen photonischen Zeitkristall in Experimenten untersucht. Der Kristall aus plasmonischem Metamaterial, einem Stoff, der im Terahertzbereich schwingt, lässt sich in seinen Eigenschaften vollständig kontrollieren.
Auf Zeitskalen mit der Länge einer Pikosekunde, was der Dimension einer Schwingung bei mehreren Terahertz entspricht, können Brechungsindex oder Reflexionsvermögen gesteuert werden. Der Kristall ermöglicht dadurch eine präzise Steuerung des einfallenden Lichts im Bereich von dessen Frequenz.
So wird das Blockieren einzelner Wellenlängen möglich. Auch die Lenkung und die Verstärkung bestimmter Frequenzen können durchgeführt werden. Damit verhält sich der Kristall so ähnlich wie ein Halbleiter, nur für Licht statt für Elektronen.
Temperatur und Magnetfelder steuern Eigenschaften
Der Zeitkristall besteht aus einer Kammstruktur aus Gold, darunter befindet sich eine Halbleiterschicht. Licht kann zwischen diesen Schichten eingeschlossen werden und behält stabil seine Frequenz bei, da der Kristall in der Lage ist, mit der gleichen Frequenz zu schwingen.
Noch durchdringt jedoch ein zu großer Teil des eingefangenen Lichts das Metamaterial. In den nächsten Schritten soll die Anzahl der eingeschlossenen Photonen deutlich erhöht werden. Weil sich das Licht im Inneren des Kristalls steuern lässt und eine bestimmte Frequenz gezielt verstärkt werden kann, könnten auf diese Weise zukünftig Laser auf einer neuen Grundlage entstehen.
Das Forschungsteam, dessen Arbeit in Nature(öffnet im neuen Fenster) veröffentlicht wurde, sieht außerdem Anwendungsmöglichkeiten in der medizinischen Bildgebung, der Kommunikation und dem Bau von Systemen, die Photonen so steuern können, wie es heutzutage mit Elektronen möglich ist, allerdings bei Frequenzen, die mehrere Größenordnungen höher liegen.