Lichtschalter aus ultradünnen Halbleiterschichten
10.000-mal schneller als ein elektronischer Transistor
Ein Forschungsteam hat einen Lichtschalter aus atomar dünnen Halbleiterschichten entwickelt, der Schaltprozesse im Femtosekundenbereich ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen Potenzial für künftige optische Bauelemente und neue Anwendungen in der Photonik.
Mithilfe komplexer experimenteller Aufbauten untersuchen die Forschenden mit hoch zeitaufgelösten Laserpulsen die extrem schnellen Bewegungen von Elektronen in Festkörpern.
Universität Oldenburg / Marcus Windus
Ein Team von Physikern der Universität Oldenburg hat in Zusammenarbeit mit der University of Cambridge in Großbritannien, des Politecnico di Milano in Italien und der Technischen Universität Berlin einen ultraschnellen Schaltprozess demonstriert, der künftig in optischen Bauelementen eingesetzt werden könnte. Die Forschenden entwickelten einen Lichtschalter aus atomar dünnen Halbleiterschichten, der 10.000-mal schneller schalten kann als ein elektronischer Transistor.
Schalteffekt durch Metamaterial
Für ihre Experimente nutzten die Forschenden ein ultradünnes Silber-Nanospalt-Array, in dessen Oberfläche sie ein Gitter aus parallelen Rillen mit einer Breite und Tiefe von jeweils etwa 45 nm frästen. Auf der Oberfläche dieser Struktur ist eine Monolage des Halbleiterkristalls Wolframdisulfid aufgebracht.
Für sich genommen zeigt keines der beiden Materialien einen Schalteffekt. In einer hybriden Nanostruktur kombiniert, reagieren sie jedoch anders auf Licht und werden zu einem aktiven Metamaterial. Die Reflexionseigenschaften dieses Materials lassen sich innerhalb weniger Femtosekunden mit einem stark fokussierten Laserstrahl manipulieren. So lässt sich diese Nanostruktur als ultraschnelle schaltende Spiegelvorrichtung verwenden, die als optischer Transistor funktionieren könnte.
Trifft Licht auf die Silberstruktur, regt es die freien Elektronen im Silber zu kollektiven Schwingungen an. Solche an eine Metalloberfläche gebundenen Elektronenschwingungen heißen Plasmonen. Sie konzentrieren das elektromagnetische Feld auf einen Bereich, der deutlich kleiner sein kann als die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Wird die Halbleiterschicht beleuchtet, entsteht ein Elektron-Loch-Paar, auch Exziton genannt. Treffen die Resonanz des Plasmons und die des Exzitons energetisch aufeinander, koppeln beide Systeme und es entsteht ein hybrider Quantenzustand, ein Exziton-Plasmon-Polariton.
Die Energie des einfallenden Lichtfelds wird vorübergehend in diesem gekoppelten Zustand gespeichert. Nach etwa 70 Femtosekunden zerfällt der Zustand wieder, wobei die Energie unter anderem als reflektiertes Licht abgegeben wird.
Während dieser Speicherphase lässt sich die Reflektivität dieser Schicht kontrollieren. Die Forschenden nutzten dafür einen externen Laserpuls. Deiser verändert kurzfristig die Zahl und die Eigenschaften der angeregten Ladungsträger im Halbleiter. Dadurch verschieben sich die Exzitonresonanz und die Kopplung zwischen Exzitonen und Plasmonen. Das beeinflusst wiederum, wie stark die Struktur einfallendes Licht reflektiert oder absorbiert. Der Steuerpuls kann die Reflexion deshalb innerhalb weniger Femtosekunden schalten. Bereits in ihren ersten Experimenten konnten sie die Helligkeit des reflektierten Lichts um bis zu 10 Prozent verändern. Dieser Wert lässt sich mit optimierten Materialien möglicherweise weiter steigern.
Untersuchung mit 2DES
Dieser Effekt lässt sich mithilfe der zweidimensionalen elektronischen Spektroskopie (2DES) untersuchen. Diese Methode ermöglicht es Wissenschaftlern, quantenphysikalische Wechselwirkungen mit einer zeitlichen Auflösung von nur wenigen Femtosekunden zu beobachten. Damit konnten sie erstmals ein Metamaterial mit Lichtpulsen untersuchen, die kürzer waren als der beobachtete Schaltprozess. So lassen sich die verschiedenen Stadien des Phänomens in Abständen von nur wenigen Femtosekunden aufzeichnen.
Bei der 2DES wird das zu untersuchende Material mit einer Folge von drei ultrakurzen Laserpulsen angeregt. Die ersten beiden Pulse müssen identische Kopien voneinander sein. Sie lösen den Prozess aus, den die Forschenden im Material untersuchen möchten.
So können die Pulse beispielsweise Elektronen in einem Halbleiter oder Farbstoff anregen und sie dadurch in einen höheren Energiezustand versetzen. Dies verändert die optischen Eigenschaften des Materials. Der dritte Abfrage- oder Probepuls trifft anschließend auf das angeregte System. Dabei verändert sich der Puls und liefert auf diese Weise Informationen über den aktuellen Zustand des Systems.
Indem die Zeitabstände zwischen den drei Pulsen verändert werden, lassen sich unterschiedliche Informationen über das untersuchte System gewinnen. Wird der Abstand zwischen den beiden Anregungspulsen und dem Probepuls variiert, kann der Prozess in verschiedenen Phasen aufgezeichnet werden. Auf diese Weise wird der zeitliche Ablauf sichtbar.
Auch der Abstand zwischen den beiden Anregungspulsen lässt sich verändern. Dadurch können gezielt bestimmte optische Übergänge im Material angeregt werden.
Einfachere experimentelle Umsetzung
Die experimentelle Umsetzung der 2DES-Technik ist sehr anspruchsvoll. Das Hauptproblem besteht darin, sowohl den zeitlichen Abstand zwischen den beiden ersten identischen Laserpulsen als auch deren Form präzise zu kontrollieren.
Eine mögliche Lösung für dieses Problem ist ein Interferometer, das mithilfe doppelbrechender Kristalle zwei identische Kopien eines einfallenden Laserpulses erzeugt. Die beiden Pulse werden anschließend zur Anregung des untersuchten Materials eingesetzt.
Um mit diesem Verfahren den vollen Funktionsumfang eines multidimensionalen elektronischen Spektrometers zu erreichen, erweiterten die Forschenden das Interferometer um eine Viertelwellenplatte. Sie verzögert jedes durch sie hindurchtretende Lichtsignal um einen festgelegten Bruchteil einer Wellenlänge. Dank dieser vergleichsweise einfachen Erweiterung konnten die Forscher die zwei Laserpulse deutlich präziser steuern als mit dem ursprünglichen TWINS-Interferometer.
Die Ergebnisse sind besonders interessant, wenn man ultraschnelle Lichtschalter auf der Nanoskala realisieren will. Ein mögliches Anwendungsfeld wäre die optische Datenverarbeitung Mit solchen Schaltern würde die Informationsmenge, die pro Zeiteinheit übertragen werden kann, drastisch steigen. Zum Vergleich: Die Schaltzeit der elektronischen Transistoren, die in aktuellen Computern und LED-Fernsehern eingesetzt werden, ist etwa tausendmal länger. Aus physikalischer Sicht sind optische Technologien daher der einzige Weg, um die Taktgeschwindigkeit konventioneller Computer weiter zu erhöhen. Außerdem könnten ultraschnelle Lichtschalter auf der Nanoskala auch interessante Möglichkeiten für die Chipfertigung, optische Sensoren oder Quantencomputer eröffnen. Die zentrale Aufgabe wird darin bestehen, aktive Metamaterialien so zu entwerfen, anzupassen und zu optimieren, dass solche Anwendungen möglich werden. (bs)
Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen der Universität Oldenburg
