10 000-fach schneller als der Transistor: Wie ein aktives Metamaterial Licht in Femtosekunden schaltet

Was auf den ersten Blick wie ein exotisches Materialexperiment wirkt, entpuppt sich bei genauerem Hinsehen als ein möglicher Baustein zukünftiger Rechentechnik. Ein Physikteam der Universität Oldenburg hat gemeinsam mit Partnern aus Großbritannien, Italien und Berlin einen Schaltprozess nachgewiesen, der rund 10 000-mal schneller abläuft als in klassischen elektronischen Transistoren. Im Zentrum steht eine Nanostruktur aus Silber und einer extrem dünnen Halbleiterschicht, die sich in einen schnell schaltbaren Spiegel verwandeln lässt.

„Eine Nanostruktur aus Silber und einer extrem dünnen Halbleiterschicht lässt sich in einen schnell schaltbaren Spiegel verwandeln – im Prinzip einen optischen Transistor, der etwa 10 000-mal schneller schaltet als das entsprechende elektronische Bauteil“, erläutert Prof. Dr. Christoph Lienau von der Universität Oldenburg, der das internationale Projekt leitete.

Die Forschenden stellen ihr sogenanntes aktives Metamaterial in der aktuellen Ausgabe von Nature Nanotechnology vor. Ihr Ziel war es, Reflexionseigenschaften gezielt mit ultrakurzen Lichtimpulsen zu verändern – und zwar auf Zeitskalen, die bislang kaum zugänglich waren.

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Femtosekunden als Maßstab

Im Fokus der Studie stand die Frage, ob sich ein Material entwickeln lässt, dessen optische Eigenschaften innerhalb weniger Femtosekunden geschaltet werden können. Eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel einer Milliardstel Sekunde – eine Zeitspanne, in der Licht nur wenige Hundert Nanometer zurücklegt.

Als Grundlage diente ein dünnes Silberplättchen, in dessen Oberfläche die Forschenden ein Gitter aus rund 45 Nanometer breiten und tiefen parallelen Rinnen einfrästen. Auf diese strukturierte Oberfläche brachten Teammitglieder von der University of Cambridge anschließend eine Halbleiterschicht aus Wolframdisulfid auf. Dieser Film bestand aus nur einer einzigen Monolage des Kristalls und war damit lediglich drei Atomdurchmesser dick.

Erst das Zusammenspiel beider Materialien erzeugte die gewünschte Wirkung. „Keines der beiden Materialien allein weist einen Schaltereffekt auf“, betont Prof. Dr. Christoph Lienau. In der Kombination jedoch entstehe ein neues optisches Verhalten – ein klassisches Kennzeichen sogenannter Metamaterialien, deren Eigenschaften nicht allein aus den Einzelkomponenten erklärbar sind.

Licht zwischen Materie und Photonen

An der Oberfläche der Nanostruktur lässt sich eingestrahltes Licht für etwa 70 Femtosekunden in einem besonderen Quantenzustand speichern, bevor es reflektiert wird. Dabei handelt es sich um sogenannte Exziton-Plasmon-Polaritonen, die sowohl Eigenschaften von Licht als auch von Materie besitzen. In diesem Zustand breitet sich das Licht als Plasmonwelle entlang der Halbleiterschicht aus und tritt in eine starke Wechselwirkung mit den Elektron-Loch-Paaren des Materials, den Exzitonen.

Genau diese kurze Speicherzeit nutzten die Forschenden für den eigentlichen Schaltprozess. „Während dieser Speicherzeit konnten wir die Reflektivität der Schicht gezielt steuern“, erklärt Dr. Daniel Timmer vom Oldenburger Institut für Physik, der gemeinsam mit Dr. Moritz Gittinger Erstautor der Studie war.

Ein externer Laserimpuls diente dazu, die Stärke der Wechselwirkung zwischen Exzitonen und Plasmonwellen zu verändern. Bereits in den ersten Experimenten gelang es dem Team, die Helligkeit des reflektierten Lichts um bis zu zehn Prozent zu modulieren – ein Wert, der für ein solches nanoskaliges System bemerkenswert ist und sich durch Materialoptimierung vermutlich weiter steigern lässt.

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Blick in den Quantendynamik-Film

Um diese extrem schnellen Prozesse sichtbar zu machen, setzten Timmer und Gittinger auf zweidimensionale elektronische Spektroskopie, kurz 2DES. Mit dieser experimentell anspruchsvollen Methode lassen sich quantenphysikalische Wechselwirkungen mit einer zeitlichen Auflösung von wenigen Femtosekunden verfolgen – gewissermaßen wie in einem Hochgeschwindigkeitsfilm.

Erst kürzlich hatte ein Team um Lienau die Anwendung von 2DES durch einen technischen Kniff deutlich vereinfacht und damit für weitere Studien zugänglich gemacht. In der aktuellen Arbeit gelang nun ein entscheidender Schritt. „In der aktuellen Untersuchung ist es uns erstmals gelungen, ein solches Metamaterial mit Lichtimpulsen zu untersuchen, die kürzer sind als der beobachtete Schaltprozess“, betont Prof. Dr. Christoph Lienau. Dadurch konnten die Forschenden die einzelnen Stadien des Effekts mit zeitlichen Abständen von nur wenigen Femtosekunden auflösen.

Perspektiven für die optische Datenverarbeitung

Die Ergebnisse stoßen insbesondere im Kontext zukünftiger Informationsverarbeitung auf Anklang. „Unsere Ergebnisse sind von großem Interesse, wenn man ultraschnelle Lichtschalter auf der Nanoskala realisieren will“, bestätigt Lienau. Eine der naheliegenden Anwendungen sieht er in der optischen Datenverarbeitung. „Die Information, die man pro Zeiteinheit übertragen kann, würde durch solche Schalter drastisch ansteigen“, erklärt der Wissenschaftler weiter.

Zum Vergleich verweist der Physiker auf die heute üblichen elektronischen Bauteile: Die Schaltzeit von Transistoren, wie sie millionenfach in Computern oder LED-Fernsehern eingesetzt werden, ist etwa tausendmal länger. Aus physikalischer Sicht, so Lienau, seien optische Technologien daher der einzige Weg, um die Taktraten klassischer Computer noch weiter zu erhöhen.

Doch das Anwendungsspektrum reicht weiter. Auch in der Chipherstellung, in optischen Sensoren oder in Quantencomputern könnten derartige Nanolichtschalter neue Möglichkeiten eröffnen. Entscheidend wird dabei sein, die Materialien gezielt weiterzuentwickeln. Prof. Dr. Christoph Lienau bringt es so auf den Punkt: „Die wichtigste Aufgabe wird darin bestehen, aktive Metamaterialien so zu designen, maßzuschneidern und zu optimieren, dass entsprechende Anwendungen möglich werden.“

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Internationale Zusammenarbeit als Schlüssel

An der Studie waren neben dem Oldenburger Team Forschende der University of Cambridge, des Politecnico di Milano und der Technischen Universität Berlin beteiligt. Die Arbeit verdeutlicht, wie eng Materialwissenschaft, Nanofabrikation, Laserspektroskopie und Quantenphysik heute verzahnt sind, wenn es darum geht, fundamentale Effekte in funktionale Bauelemente zu übersetzen.

Der Lichtschalter aus extrem dünnen Halbleiterschichten ist damit weniger ein fertiges Produkt als vielmehr ein experimenteller Beweis dafür, dass sich optische Schaltprozesse auf bislang unerreichte Zeitskalen treiben lassen. Für die Forschung markiert das einen wichtigen Schritt – und für zukünftige photonische Technologien einen möglichen Ausgangspunkt.