Licht von einem Ort zum anderen zu lenken ist das Rückgrat unserer modernen Informationswelt. Glasfaserkabel durchqueren tiefe Ozeane und riesige Kontinente und übertragen Licht, das alles von YouTube-Videoclips bis hin zu Banküberweisungen in haarfeinen Fasern enthält. Professor Jiwoong Park von der University of Chicago wollte jedoch wissen, was passieren würde, wenn die Faser dünner und flacher gemacht würde – so dünn, dass sie tatsächlich zweidimensional statt dreidimensional wäre. Was passiert mit Licht?
Wissenschaftler der University of Chicago haben herausgefunden, dass ein nur wenige Atome dicker Glaskristall Licht einfangen und transportieren kann – und für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden könnte. Der dünne Faden in der Mitte des Kunststoffs, den Studienmitautor Hanyu Hong hält, ist dieses Material. Bildquelle: Jean Lachat
Durch eine Reihe innovativer Experimente entdeckten er und sein Team, dass dünne Glaskristallscheiben mit einer Dicke von nur wenigen Atomen Licht einfangen und transportieren können. Darüber hinaus ist es überraschend effizient und kann eine relativ lange Strecke zurücklegen – einen Zentimeter, was in der Welt der lichtbasierten Datenverarbeitung eine sehr große Entfernung ist.
Professor Jiwoong Park (links) und Wissenschaftler Hanyu Hong (rechts) am Laserlabor, wo sie bestätigten, dass das Material Licht transportieren kann – obwohl es kleiner als das Licht selbst ist. Bildquelle: Jean Lachat
Die kürzlich in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichte Forschungsarbeit zeigt, dass es sich im Wesentlichen um einen zweidimensionalen photonischen Schaltkreis handelt, und könnte den Weg für neue Technologien ebnen.
„Wir waren völlig überrascht, wie leistungsstark dieser ultradünne Kristall ist. Er kann nicht nur Energie speichern, sondern sie auch tausendmal weiter abgeben, als irgendjemand jemals in ähnlichen Systemen gesehen hat. Das eingefangene Licht verhält sich auch so, als würde es sich im zweidimensionalen Raum bewegen“, sagte Jiwoong Park, Hauptautor der Studie und Professor und Vorsitzender der Abteilung für Chemie am James Franck Institute und der Pritzker School of Molecular Engineering.
Leitlicht
Bei dem neu erfundenen System handelt es sich um eine Methode zur Lichtführung, die als Wellenleiter bezeichnet wird und zweidimensionaler Natur ist. In Tests fanden die Forscher heraus, dass sie mithilfe extrem kleiner Prismen, Linsen und Schalter – alles Elemente von Schaltkreisen und Computern – Licht entlang der Bahn des Chips lenken konnten.
Photonische Schaltkreise gibt es bereits, allerdings sind sie viel größer und dreidimensional. Entscheidend ist, dass sich in bestehenden Wellenleitern Lichtteilchen – sogenannte Photonen – immer eingeschlossen im Wellenleiter ausbreiten.
Die Wissenschaftler erklären, dass in diesem System der Glaskristall tatsächlich dünner als das Photon selbst ist, sodass ein Teil des Photons auf seinem Weg tatsächlich aus dem Kristall herausragt.
Professor Jiwoong Park (links) und der Wissenschaftler Hanyu Hong (rechts) untersuchen das Material in Parks Labor an der University of Chicago. In Tests können sie winzige Prismen, Linsen und Schalter verwenden, um Licht entlang des Chips zu lenken – alles Elemente von Schaltkreisen und Computern. Bildnachweis: Jean-Rachat
Es ist ein bisschen so, als würde man eine Röhre bauen, um Koffer auf einem Flughafen zu transportieren, anstatt Koffer auf ein Förderband zu stellen. Auf dem Förderband liegen die Koffer offen und man kann sie unterwegs gut einsehen und verstellen. Dieser Ansatz erleichtert die Herstellung komplexer Geräte aus Glaskristallen, da sich Licht leicht durch Linsen oder Prismen bewegen kann.
Photonen können unterwegs auch Informationen über die Bedingungen erfahren. Denken Sie darüber nach und überprüfen Sie Ihren Koffer, der von draußen hereinkommt, um zu sehen, ob es draußen schneit. Ebenso könnten sich Wissenschaftler vorstellen, diese Wellenleiter zur Herstellung von Sensoren auf mikroskopischer Ebene zu verwenden.
„Angenommen, Sie haben eine Flüssigkeitsprobe und möchten die Anwesenheit eines bestimmten Moleküls spüren“, erklärt Park. „Man kann es so gestalten, dass der Wellenleiter durch die Probe verläuft und die Anwesenheit dieses Moleküls das Verhalten des Lichts verändert.“
Wissenschaftler sind auch daran interessiert, sehr dünne photonische Schaltkreise zu bauen, die übereinander gestapelt werden können, um mehr winzige Geräte auf derselben Chipfläche zu integrieren. Der Glaskristall, den sie in diesen Experimenten verwendeten, war Molybdändisulfid, aber das Prinzip gilt auch für andere Materialien.
Während theoretische Wissenschaftler vorhergesagt haben, dass dieses Verhalten existieren sollte, sei es im Labor tatsächlich ein jahrelanger Prozess gewesen, sagten die Wissenschaftler.
„Dies war ein äußerst herausforderndes, aber zufriedenstellendes Problem, da wir ein völlig neues Feld betreten haben. Daher musste alles, was wir brauchten, selbst entworfen werden – vom Anbau des Materials bis zur Messung der Lichtbewegung“, sagte Hanyu Hong, ein Doktorand und Co-Erstautor der Arbeit.