Ingenieure der University of California in San Diego entwickelten das bisher dünnste optische Bauteil der Welt – einen Lichtleiter, der nur drei Atomschichten dick ist.

Die Arbeit ist ein Proof-of-Concept für die Skalierung optischer Geräte auf Größen, die um einige Größenordnungen kleiner sind als heutigen Geräte. Es könnte zur Entwicklung von photonischen Chips mit höherer Dichte und Kapazität führen. „Grundsätzlich demonstrieren wir die Bruchgrenze für den Bau eines dünnen Lichtwellenleiters“, erläutert Senior-Autor Ertugrul Cubukcu, Professor für Nanotechnik und Elektrotechnik an der UC San Diego.

Eine Wolfram-Monoschicht macht die extreme Verkleinerung möglich un

Eine Wolfram-Monoschicht macht die extreme Verkleinerung möglich un University of California San Diego UCSD

Nur etwa sechs Ångström misst der entwickelte Lichtleiter und ist damit mehr als 10.000-mal dünner als eine typische Glasfaser und etwa 500-mal dünner als On-Chip-Lichtwellenleiter in integrierten photonischen Schaltungen. Er besteht aus einer Wolframdisulfid-Monoschicht, die sich aus einer Schicht von Wolframatomen zusammensetzt und zwischen zwei Schichten von Schwefelatomen eingelagert ist. Aufgehängt ist das Ganze in einem Siliziumrahmen (siehe Bild). Die Monoschicht ist ebenfalls mit einer Anordnung von nanogroßen Löchern strukturiert, die einen photonischen Kristall bilden.

Das Besondere an diesem Monolayer-Kristall ist, dass er Elektronen-Loch-Paare, so genannte Exzitonen, bei Raumtemperatur unterstützt. Diese Exzitonen erzeugen eine starke optische Reaktion, die dem Kristall einen Brechungsindex verleiht, der etwa viermal höher ist als der von Luft, die seine Oberflächen umgibt. Eine weitere Besonderheit ist, dass der Hohlleiter das Licht im sichtbaren Bereich kanalisiert. „Das ist eine Herausforderung bei einem so dünnen Material“, sagte Cubukcu. „Wellenleiter wurden bisher mit Graphen demonstriert, das ebenfalls atomar dünn ist, aber bei Infrarotwellenlängen. Wir haben zum ersten Mal Wellenleiter im sichtbaren Bereich demonstriert.“

In den Kristall geätzte nanoskalige Löcher lassen etwas Licht senkrecht zur Ebene streuen, so dass es beobachtet und untersucht werden kann. Diese Anordnung von Löchern erzeugt eine periodische Struktur, die den Kristall auch als Resonator verdoppelt.