Optischer Schalter für Nanolicht

Forschungsteam programmiert Licht auf ultrakleinem Maßstab

Forscher*innen in Hamburg und den Vereinigten Staaten haben einen neuartigen Weg für die Programmierung eines Schichtkristalls entwickelt, der Abbildungsfähigkeiten jenseits der üblichen Grenzen erzeugt. Die Entdeckung des Teams von der Columbia University, dem MPSD, der University of California-San Diego, der University of Washington und dem Flatiron Institute ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Kontrolle von Nanolicht, welches die kleinsten vorstellbaren Längenskalen erreichen kann. Die in Science veröffentlichte Arbeit liefert zudem Erkenntnisse für das Gebiet der optischen Quanteninformationsverarbeitung, welche Lösungen für schwierige Probleme in der Datenverarbeitung und Kommunikation verspricht.  

“Wir nutzen die ultraschnelle Mikroskopie im Nanobereich, um unsere Kristalle auf neuartige Weise mit Licht zu kontrollieren und schwer fassbare photonische Eigenschaften nach Belieben ein- und auszuschalten", sagte Aaron Sternbach, Postdoktorand an der Columbia University und Erstautor der Studie. "Die Effekte sind kurzlebig und dauern nur Billionstel einer Sekunde an, aber wir sind nun in der Lage, diese Phänomene deutlich zu beobachten."

Ein optisch angeregtes Gas von elektronischen Ladungsträgern, eingegrenzt auf die Ebenen des geschichteten Van-der-Waals-Halbleiters Wolframdiselenid, erzeugt eine hyperbolische Reaktion, die Nanolicht fließen lässt.

Die Natur setzt uns Grenzen für die Fokussierung von Licht. Selbst unter dem Mikroskop würden zwei verschiedene Objekte jenseits dieser Grenze als eins erscheinen. Aber innerhalb einer speziellen Klasse von geschichteten kristallinen Materialien - bekannt als Van-der-Waals-Kristalle – lassen sich diese Regeln manchmal brechen, so dass das Licht ohne jeglich Einschränkung in diesen Materialien eingeschlossen wird. Dies ermöglicht es, selbst kleinste Objekte klar zu sehen.

In ihren Experimenten untersuchten die Columbia-Forscher den Van-der-Waals-Kristall Wolframdiselenid, der aufgrund seiner einzigartigen Struktur und seiner starken Wechselwirkungen mit Licht für elektronische und photonische Technologien von großem Interesse ist.  

Mithilfe von Lichtpulsen veränderten die Wissenschaftler die elektronische Struktur des Kristalls – eine Art optischer Schaltvorgang. Die neu erzeugte Struktur ermöglichte etwas sehr Ungewöhnliches: Feinste Details auf der Nanoskala konnten durch den Kristall transportiert und auf seiner Oberfläche abgebildet werden. 

Diese Arbeit eröffnet eine neue Methode zur Kontrolle des Nanolichtflusses. Optische Manipulation auf der Nanoskala, oder Nanophotonik, ist heutzutage ein wichtiges Forschungsgebiet – vor allem angesichts der ständig steigenden Nachfrage nach Technologien, die die Kapazitäten der konventionellen Photonik und Elektronik weit übersteigen. 

"Die neuen lichtinduzierten elektronischen Zustände ermöglichen nicht nur die Ausbreitung von Nanolicht, sondern könnten in Zukunft selbst genutzt werden, um ein tieferes mikroskopisches Verständnis der ultraschnellen Elektronendynamik in dieser Materialklasse zu erlangen", erklärt Mitautor Simone Latini, Postdoktorand in der Theorieabteilung des MPSD.

Dmitri Basov, Higgins-Professor für Physik an der Columbia University, ist überzeugt, dass die Ergebnisse des Teams neue Forschungsbereiche in der Quantenmaterie eröffnen werden: "Laserpulse haben es uns ermöglicht, einen neuen elektronischen Zustand in diesem prototypischen Halbleiter zu erzeugen, wenn auch nur für ein paar Pikosekunden. Diese Entdeckung bringt uns auf den Weg zu optisch programmierbaren Quantenphasen in neuen Materialien. “

Text von Carla Cantor, Columbia University / Jenny Witt, MPSD

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