Laut einem Bericht in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift „Nature Nanotechnology" haben Forscher der Technischen Universität Graz in Österreich, der Harvard University in den USA und der University of Texas at Austin eine neuartige Metasurface-Struktur entwickelt, die Halbleiterschichten mit Nanostrukturen kombiniert und die Lichtkonversionseffizienz im Vergleich zu bisherigen Materialien um etwa das 72.000-fache steigert. Dieser Durchbruch könnte die Entwicklung der Telekommunikation und Quantentechnologie vorantreiben.

Moderne Glasfaserkommunikationsnetze nutzen die lineare Ausbreitungseigenschaft von Licht zur Informationsübertragung. Für komplexe Berechnungen, Quantentechnologie und Quantenkryptographie sowie für Anwendungen wie optische Frequenzkämme, die für hochpräzise Messungen verwendet werden, reicht jedoch die rein lineare Ausbreitung von Licht nicht aus. Es ist notwendig, nichtlineare Polarisation zu nutzen, damit Photonen miteinander interagieren und Informationen austauschen können.

Traditionell werden zur nichtlinearen Kopplung von Lichtwellen häufig Kristallstrukturen wie Lithiumniobat verwendet. Diese Methode erfordert jedoch ein großes Materialvolumen und eine hohe Lichtenergie, was die Miniaturisierung und Anwendung entsprechender Bauelemente einschränkt. Der Ausgangspunkt dieser Forschung war ein spezielles Halbleitermaterial, das das Team entwickelte. Mittels Molekularstrahlepitaxie stellten sie nanoskalige Halbleiterschichten aus Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid her, die asymmetrisch gekoppelte Quantentöpfe enthalten. Quantentöpfe können die Bewegung von Elektronen einschränken und sie zur Bildung quantisierter Energieniveaus bringen. Aufgrund des asymmetrischen Designs der Quantentöpfe neigen Elektronen nach Lichteinstrahlung dazu, sich in eine Richtung zu bewegen. Die daraus resultierende nichtlineare Elektronenoszillation ermöglicht eine effizientere Wechselwirkung zwischen verschiedenen Lichtwellen.

Um die Wirkung dieses Materials jedoch voll auszuschöpfen, muss sich Licht entlang der Richtung parallel zur Halbleiterschicht ausbreiten. Um dieses Problem zu lösen, baute das Team eine Metasurface über der Halbleiterschicht auf. Die Metasurface besteht aus Titandioxid-Nanopfeilern, die in einem Schachbrettmuster angeordnet sind, wobei jeder Nanopfeiler nur wenige hundert Nanometer groß ist. Sie kann die Ausbreitungsrichtung des Lichts ändern, sodass sich das Licht entlang der Halbleiterschicht ausbreitet und so die nichtlinearen Eigenschaften des Materials voll zur Geltung kommen.

Experimente zeigten, dass sich die Lichtfelder bei senkrechter Bestrahlung des Bauelements aufgrund der Symmetrie der geometrischen Struktur gegenseitig aufheben und nahezu keine zweite Harmonische erzeugen. Die Forscher mussten das Bauelement lediglich um etwa 0,3 Grad neigen, um diese Symmetrie zu brechen und eine effiziente Erzeugung nichtlinearer Polarisation zu ermöglichen.

Eine höhere Konversionseffizienz bedeutet, dass in Zukunft optische Bauelemente mit kleinerer Größe und geringerem Energieverbrauch hergestellt werden könnten, beispielsweise um den Energieverbrauch bei der Informationsübertragung zwischen Computern in Rechenzentren zu senken. Diese Technologie könnte auch in Bereichen wie integrierter Photonik und groß angelegter Datenverarbeitung Anwendung finden.