12 Feb. Licht schalten im Femtosekundenbereich
Eine Nanostruktur aus Silber und einer dünnen Halbleiterschicht lässt sich in einen schnell schaltbaren Spiegel verwandeln – im Prinzip einen optischen Transistor, der etwa 10 000-mal schneller schaltet als die entsprechende elektronische Komponente. Ein solches Bauteil beschreibt ein internationales Team unter Leitung des Physikers Professor Christoph Lienau von der Universität Oldenburg.
Ziel der Forschenden ist es, ein optisches Bauelement zu entwickeln, dessen Reflektivität innerhalb weniger Femtosekunden steuerbar ist. Für die Experimente nutzt das Team ein Silberplättchen, in das ein Gitter aus parallelen Rinnen eingefräst wird. Die Rinnen sind rund 45 nm breit und tief. Auf die strukturierte Oberfläche bringen Partner von der University of Cambridge eine Halbleiterschicht aus Wolframdisulfid auf. Dabei handelt es sich um eine Monolage des Kristalls. Die Kombination aus Metallnanostruktur und Halbleiterfilm führt laut den Forschenden zu einer optischen Antwort, die keines der beiden Materialien allein zeigt.
Intensität innerhalb von Femtosekunden modulieren
An der Oberfläche kann eingestrahltes Licht für etwa 70 fs in Form eines Exziton-Plasmon-Polaritons gespeichert werden, bevor es reflektiert wird. In diesem Zustand koppeln Plasmonwellen an der Oberfläche mit Elektron-Loch-Paaren (Exzitonen) in der Halbleiterschicht.
Während dieses kurzen Zeitintervalls können die Forschenden die Reflektivität gezielt beeinflussen. Dazu nutzen sie einen zusätzlichen Laserimpuls, um die Stärke der Wechselwirkung zwischen Exzitonen und Plasmonwelle zu verändern. In den Messungen lässst sich die Intensität des reflektierten Lichts um bis zu 10% modulieren, berichten die Wissenschaftler.
Untersucht wurde der Effekt mit zweidimensionaler elektronischer Spektroskopie (2DES). Das Verfahren erlaubt es, ultraschnelle Wechselwirkungsprozesse mit einer Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden zu verfolgen. Nach Angaben des Teams war es in der aktuellen Studie erstmals möglich, ein solches Metamaterial mit Lichtimpulsen zu untersuchen, die kürzer sind als der beobachtete Schaltprozess. Dadurch ließen sich einzelne zeitliche Stadien des Effekts detaillierter auflösen.
Moritz Gittinger (links) und Daniel Timmer vor dem Experiment, mit dem sich der ultraschnelle Schaltprozess nachweisen ließ. Bild: Marcus Windus / Universität Oldenburg
Potenzielle Anwendungen
Als mögliche Perspektiven nennen die Forscher Anwendungen in der optischen Datenverarbeitung sowie in weiteren photonischen Systemen, bei denen sehr schnelle Schaltvorgänge auf der Nanoskala relevant sind
Originalveröffentlichung
[Daniel Timmer, Moritz Gittinger et al.: Ultrafast Transition from Coherent to Incoherent Polariton Nonlinearities in a Hybrid 1L-WS2/Plasmon Structure, Nature Nanotechnology, DOI 10.1038/s41565-025-02054-4]
Quelle: uol.de
Bild: Marcus Windus / Universität Oldenburg