10'000-mal so schnell wie ein elektronischer Transistor

Eine Nanostruktur aus Silber und einer extrem dünnen Halbleiterschicht lässt sich in einen schnell schaltbaren Spiegel verwandeln – im Prinzip einen optischen Transistor. Wie die Forschenden in der Zeitschrift Nature Nanotechnology berichten, sind solche ultraschnellen Lichtschalter insbesondere für die optische Datenverarbeitung von grossem Interesse.

Das Ziel des Teams bestand darin, ein Material zu finden, dessen Reflexionseigenschaften sich in einem Zeitraum von wenigen Femtosekunden gezielt durch einen Laser verändern, also «schalten» lassen. Für die Studie verwendeten die Forschenden ein dünnes Silberplättchen, auf dessen Oberfläche sie ein Gitter aus rund 45 nm breiten und tiefen, parallelen Rinnen einfrästen. Der Film aus dem Halbleitermaterial Wolframdisulfid bestand aus nur einer Monolage des Kristalls, war also drei Atomdurchmesser dick.

Durch diese Kombination zeigte die Nanostruktur eine ungewöhnliche Reaktion auf Licht, wie das Team berichtet. «Keines der beiden Materialien allein weist einen Schaltereffekt auf», betont Lienau. Doch vereint in einer Nanostruktur reagieren die beiden Materialien auf eine ganz neue Art: An der Oberfläche der Nanostruktur lässt sich eingestrahltes Licht für rund 70 fs in Form eines besonderen Quantenzustands, eines sogenannten Exziton-Plasmon-Polaritons speichern, bevor es reflektiert wird. In diesem Zustand, der sowohl Eigenschaften von Licht als auch von Materie aufweist, breitet sich das Licht in Form sogenannter Plasmonwellen entlang der Oberfläche der Halbleiterschicht aus. Dabei tritt es in eine starke Wechselwirkung mit den Elektron-Loch-Paaren der Halbleiterschicht, den sogenannten Exzitonen.

«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. Die Forschenden verwendeten einen externen Laserimpuls, um die Stärke der Wechselwirkung zwischen Exzitonen und Plasmonwelle zu verändern. Schon bei ihren ersten Experimenten gelang es dem Team auf diese Weise, die Helligkeit des reflektierten Lichts um bis zu 10 % zu ändern – ein erstaunlich grosser Wert, der sich durch Optimierung des Materials wahrscheinlich noch steigern lässt.

«Unsere Ergebnisse sind von grossem Interesse, wenn man ultraschnelle Lichtschalter auf der Nanoskala realisieren will», betont Lienau. Eine mögliche Anwendung sei zum Beispiel die optische Datenverarbeitung. «Die Information, die man pro Zeiteinheit übertragen kann, würde durch solche Schalter drastisch ansteigen», erklärt Lienau. Zum Vergleich: Die Schaltzeit von elektronischen Transistoren, die in Computern oder LED-Fernsehern millionenenfach zum Einsatz kommen, ist etwa tausendmal so lang. Optische Technologien seien daher aus physikalischer Sicht die einzige Möglichkeit, die Taktrate herkömmlicher Computer noch weiter zu steigern.