Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Christoph Lienau von der Universität Oldenburg hat erfolgreich eine nanophotonische Schaltervorrichtung entwickelt, die auf Silber und einem zweidimensionalen Halbleitermaterial basiert. Diese Vorrichtung kann bis zu zehntausendmal schneller schalten als herkömmliche elektronische Transistoren und eröffnet damit neue technologische Wege für die zukünftige Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung mit Licht. Die zugehörigen Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Das Team erzeugte eine hybride Nanostruktur, indem es auf einem ultradünnen Silbersubstrat ein Gitter aus parallelen Rillen mit einer Breite und Tiefe von etwa 45 Nanometern präparierte und mit einer nur drei Atomlagen dicken Schicht aus Wolframdisulfid (WS₂), einem zweidimensionalen Halbleiter, überzog. Diese Struktur bildet einen hybriden Quantenzustand, der als „Exziton-Polariton“ bezeichnet wird, und verleiht dem Bauteil einzigartige optische Reaktionseigenschaften. Prof. Lienau erklärt: „Für sich genommen zeigen beide Materialien keinen Schaltereffekt. Wenn sie jedoch in einer hybriden Nanostruktur kombiniert werden, reagieren sie völlig anders auf Licht und werden zu einem sogenannten ‚aktiven Metamaterial‘.“
In den Experimenten gelang es den Forschern, die Reflexionseigenschaften dieser Nanostruktur mit externen Femtosekunden-Laserpulsen zu steuern. Sie konnten optische Signale auf einer Zeitskala von 70 Femtosekunden speichern und modulieren, wobei sich die Helligkeit des reflektierten Lichts um 10 % änderte. Dr. Daniel Timmer von der Universität Oldenburg sagt: „Während der Speicherphase konnten wir die Reflexionsfähigkeit dieser Schicht kontrollieren.“ Dieser Durchbruch wurde durch die von dem Team eingesetzte Technik der zweidimensionalen Elektronenspektroskopie ermöglicht, die Quantenwechselwirkungsprozesse mit Femtosekunden-Auflösung beobachten kann.
Dieser ultraschnelle optische Schalter zeigt Anwendungspotenzial im Bereich der optischen Informationsverarbeitung. Prof. Lienau betont: „Unsere Erkenntnisse sind besonders wichtig, wenn wir ultraschnelle optische Schalter im Nanomaßstab herstellen wollen. Mit solchen Schaltern könnte die Menge an Informationen, die pro Zeiteinheit übertragen werden kann, erheblich gesteigert werden.“ Verglichen mit den derzeit weit verbreiteten elektronischen Transistoren ist die Ansprechgeschwindigkeit dieses optischen Bauteils deutlich höher. Es könnte somit eine Schlüsselkomponente für die Entwicklung von Hochleistungsrechnern, optischer Kommunikation und Quantentechnologien der Zukunft darstellen.
Das Forschungsteam kündigte an, als nächsten Schritt an der Optimierung der Leistungsfähigkeit solcher aktiven Metamaterialien zu arbeiten, um sie der praktischen Anwendung näherzubringen. Das internationale Kooperationsprojekt wurde von der Universität Oldenburg geleitet und umfasste Forschende der University of Cambridge (Großbritannien), des Politecnico di Milano (Italien) und der Technischen Universität Berlin.
Publikationsdetails: Autoren: Timmer, D. et al., Titel: „Ultrafast transition from coherent to incoherent polariton nonlinearities in hybrid 1L-WS₂/plasmonic structures“, veröffentlicht in: Nature Nanotechnology (2026). Zeitschrifteninfo: Nature Nanotechnology
