Ultraschnelles Schalten eines optischen Bits

Forschern der Uni Paderborn und der TU Dortmund ist es gelungen, ein optisches Bit zu realisieren, das nur mithilfe von Licht auf einen Chip geschrieben und gezielt kontrolliert werden kann. Neben dem funda­mentalen Interesse birgt das großes Potenzial für die opto­elek­tronische Informations­ver­arbeitung. Das Team um Stefan Schumacher und Xuekai Ma von der Uni Paderborn und Marc Aßmann und Bernd Berger von der TU Dortmund unter­suchte bestimmte Wirbel­zustände, die sich in einer optisch angeregten Quanten­flüssig­keit ausbilden.

„Diese Wirbel können in zwei verschiedene Richtungen rotieren. Die beiden Dreh­rich­tungen entsprechen den Ein­stel­lungen eines Bits, also Eins oder Null“, erklärt Schumacher. „Die Anregung erfolgt mit einem ring­förmigen Laser­profil, in dessen Mitte sich ein Wirbel in der vom Laser angeregten Quanten­flüssig­keit ausbildet. Ein zusätz­licher kurzer Laser­puls bewirkt dann das Umschalten der Dreh­richtung, sodass das Bit gezielt entweder auf Null oder auf Eins einge­stellt und auch nach­träg­lich umge­schaltet werden kann.“ Mit dem gezielten Umschalten können dann auch gespeicherte Infor­ma­tionen besonders schnell geändert werden.

Ähnliche Wirbel werden derzeit in vielen physika­lischen Systemen hinsicht­lich möglicher Anwendungen in der Informa­tions­speicherung und -verarbeitung unter­sucht. „Oftmals wird dabei aber nur die Existenz oder Erzeugung der Wirbel studiert. Wir demon­strieren hier auch die effi­ziente Manipu­lation mi­thilfe ultra­kurzer Laser­pulse, sodass wir die Dreh­richtung eines Wirbels, und damit die optisch gespeicherte Information, in weniger als einem Milliardstel einer Sekunde gezielt umschalten können,“ erklärt Ma.

„Ein besonderer Erfolg ist auch die praxisnahe experi­mentelle Umsetzung“, sagt Berger. „Die Dreh­richtung des Wirbel­zustands wird im Labor direkt über den räum­lichen Dreh­impuls des emittierten Lichts gemessen.“ Das Konzept sei außerdem durch die aus­schließ­lich nicht­resonante und damit inkohä­rente optische Anregung grund­sätzlich auch mit elek­trischer statt mit optischer Heran­gehens­weise kompatibel. Die der Arbeit zugrunde liegende Idee wurde von Ma entwickelt. In enger Zusammen­arbeit mit den Kollegen um Aßmann ist es dann gelungen, das theore­tische Konzept auch experi­mentell umzu­setzen.

U. Paderborn / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  X. Ma et al.: Realization of all-optical vortex switching in exciton-polariton condensates, Nat. Commun. 11, 897 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-14702-5
• Theorie funktionaler photonischer Strukturen (S. Schumacher), Dept. Physik, Universität Paderborn
• Experimentelle Physik 2, Fklt. Physik, Technische Universität Dortmund