Optischer Turbo-Schalter aus Metamaterial

  • 19. May 2017

Bis zu 100 Milliarden Mal pro Sekunde lässt sich zwischen Reflexion und Absortion wechseln.

Optische Meta­materia­lien machen poten­ziell Dinge unsichtbar machen oder weisen eine negative Licht­brechung auf. Möglich wird das durch ihre besondere Struktur: Meta­materia­lien bestehen aus winzigen maßge­schneiderten Nano­partikeln, die mit elektro­magnetischer Strahlung auf völlig andere Weise wechsel­wirken als natürlich vor­kommende Materialien. Die Nano­struk­turierung zur Her­stellung von Metamaterialien erfolgt zumeist mittels litho­grafischer Verfahren. Einem Team von Physikern der Staat­lichen Univer­sität Moskau, der Sandia National Labo­ratories in Albu­querque und der Friedrich-Schiller-Uni­versität Jena ist es nun jedoch gelungen, ein Meta­material zu entwickeln, deren nano­skopische Bausteine bis zu 100 Milliarden Mal in der Sekunde an- und ausge­schaltet werden können.

Abb.: Schematische Darstellung des schaltbaren Metamaterials. Die Nanozylinder aus Galliumarsenid sind rund 300 Nanometer hoch. Werden sie mit Laserpulsen beleuchtet, absorbieren sie die Lichtteilchen. (Bild: M. Shcherbakov)

Abb.: Schematische Darstellung des schaltbaren Metamaterials. Die Nanozylinder aus Galliumarsenid sind rund 300 nm hoch. Werden sie mit Laserpulsen beleuchtet, absorbieren sie die Lichtteilchen. (Bild: M. Shcherbakov)

„Die Meta­materialien bestehen aus einer dünnen Schicht des Halb­leiters Gallium­arsenid, auf die Nano­partikel aufgebracht sind, die Licht­teilchen einfangen können“, erklärt Isabelle Staude von der Uni­versität Jena. Wenn Licht auf das Material trifft, wird es in den Nano­partikeln einge­schlossen und kann mit dem Material wechsel­wirken. Die Nano­partikel bestehen ebenfalls aus Gallium­arsenid, das von einem glas­artigen Material umschlossen ist und haben eine Größe von 300 Nano­metern.

Das Prinzip des schalt­baren Meta­materials beruht auf der Erzeugung von Elektronen und Elektronen­löchern im Halbleiter­material durch die Ein­strahlung von Licht. Durch die Licht­konzentration in den Nano­partikeln wird dieser Effekt verstärkt. „Wenn wir das Meta­material mit einem ultra­kurzen Laser­puls beleuchten, so absor­bieren die Nano­partikel die Licht­teilchen und regen darin die Elek­tronen und Elektronen­fehlstellen an“, erläutert Staude. Die Gegenwart der Ladungs­träger führt wiederum dazu, dass sich die op­tischen Material­eigenschaften des Gallium­arsenids im Innern der Nano­partikel verändern. Dies wirkt sich dann direkt auf die op­tischen Eigen­schaften des Meta­materials selbst aus: Während es in seinem Ausgangs­zustand eine spiegelnde Ober­fläche besitzt, die das Licht reflek­tiert, verliert das Material seine reflek­tierende Eigen­schaften durch die Absorp­tion von Licht.

In Sekunden­bruch­teilen treffen anschließend Elektronen und Fehl­stellen einander und löschen sich gegen­seitig aus, was dazu führt, dass das Material seine spiegelnde Ober­fläche wieder­erlangt. „Diese Funktions­weise lässt sich in Zukunft vielleicht für die Konstruk­tion pho­tonischer Bauele­mente nutzen, beispiels­weise in der optischen Signal­übertragung oder für neue Mikroskopie­verfahren“, sagt Staude. Bislang existiere das schalt­bare Meta­material lediglich im Labor. Bevor es auch in größerem Maßstab produ­ziert werden wird, so erwartet die Jenaer Physikerin, sei jedoch noch weitere Grundlagen­forschung nötig.

FSU Jena / JOL

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