02 Sep Funktionalisierte Lichtleiter für photonische Bauelemente und Lasertechnik
Computer, Handys oder Superrechenzentren werden immer leistungsfähiger. Riesige Datenmengen werden dabei verarbeitet und in immer kürzerer Zeit um die Welt transportiert. Der negative Effekt: Auch der Energieverbrauch der Chips, die dafür nötige Rechenleistungen vollbringen, wächst enorm. Im Pandemiejahr 2020 haben die Rechenzentren in Deutschland 16 Milliarden Kilowattstunden Energie verbraucht, hat das Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit ermittelt.
„Das Problem dabei ist, dass Chips mit gängigen Halbleiter-Materialien beinahe 50 % der Energie nur für die Bewegung von Informationen mittels Elektronen verbrauchen“, erklärt Dr. Falk Eilenberger, Leiter der Forschungsgruppe ‚Photonics in 2D-Materials‘ am Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
Modifizierte Glasfasern
Die Forschenden um Eilenberger setzen auf Photonen anstatt Elektronen als Medium – auch für den Datentransport – und auf Lichtleiter aus Glas. Das Team nutzt 2-D-Materialien – Stoffe, die nur aus einer Lage von Atomen bestehen. Im konkreten Fall Molybdän-Disulfat. Dafür mussten die Forschenden die Lichtleitfasern modifizieren. Zusammen mit Wissenschaftlern vom Jenaer IPHT und der Universität Adelaide wurden Fasern entwickelt, die das Licht nicht mittig, sondern oberflächennah leiten. Das soll die Reaktion der Lichtteilchen mit dem 2-D-Material erleichtern, das direkt in der Faser wächst – was bei etwa 700 °C passiert – und nicht in einem zweiten Schritt auf der Faser aufgetragen werden muss.
In den Glasfasern mit einer dünnen Schicht Molybdän-Disulfat, ist es gelungen, infrarotes Licht (1240 nm) in rotes Licht (620 nm) umzuwandeln, erklären die Forschenden. Damit sind sie nach eigenen Angaben die ersten weltweit, die optische Fasern auf diese Art funktionalisieren, sodass sie in Zukunft beispielsweise als nicht lineare Lichtkonverter nutzbar sein können. Die Wissenschaftler sind optimistisch, dass sich das Material auch auf Silizium wachsen lässt und somit photonische anstatt elektronische Bauelemente Wirklichkeit werden, um das Problem der Energiefresser-Chips in den Griff zu bekommen.
Chancen auch für Lasertechnik
Die Wissenschaftler erwarten für die Technologie zudem im Werkzeugkasten der optischen Fasern noch vielfältig Anwendung. Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Technologie funktioniert bei Raumtemperatur, das Material ist chemisch robust, gut zu verarbeiten und bietet interessante Eigenschaften. Denkbar sei, so die Wissenschaftler, es in mehreren Schichten auf den Fasern wachsen zu lassen oder es weiter zu modifizieren, um mehr Interaktionen mit dem Licht zu erreichen. Auch die künftige Nutzung des neuen Materials in der Sensortechnik wird ausgelotet.
Originalveröffentlichung:
[Gia Quyet Ngo et al.: In-fibre second-harmonic generation with embedded two-dimensional materials, Nature Photonics 1 September 2022, DOI: 10.1038/s41566-022-01067-y. https://www.nature.com/articles/s41566-022-01067-y]
Quelle: www.uni-jena.de
Bild: Jens Meyer / Uni Jena
