Abstimmbare optische Komponenten auf Polymerbasis ermöglichen Metaoberflächen, die mit Licht geschaltet werden können

Eine Materialbeschichtung, deren Lichtbrechungseigenschaften präzise zwischen verschiedenen Zuständen umgeschaltet werden können, hat ein interdisziplinäres Forschungsteam der Fachbereiche Chemie und Physik der Universität Jena entwickelt. Das Team um Felix Schacher, Sarah Walden, Purushottam Poudel und Isabelle Staude kombinierte Polymere, die auf Licht reagieren, mit sogenannten Metaoberflächen.

Diese Innovation hat zur Entwicklung neuer optischer Komponenten geführt, die möglicherweise in der Signalverarbeitung eingesetzt werden könnten. Ihre Erkenntnisse wurden nun in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Nano.

Zwei etablierte Systeme kombinieren, um etwas Neues zu schaffen

„Sowohl Metaoberflächen als auch lichtschaltbare Polymere sind im Prinzip seit Jahrzehnten bekannt“, erklärt Sarah Walden vom Institute of Solid State Physics, die mittlerweile eine Forschungsgruppe in Australien leitet. Sie fügt hinzu: „Aber wir sind die ersten, die beides in dieser Form kombinieren, um neue Komponenten für optische Anwendungen zu entwickeln.“

Metaoberflächen sind nanostrukturierte dünne Schichten, deren charakteristische Strukturgrößen kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Dadurch können die Eigenschaften des Lichts und seine Ausbreitung gezielt beeinflusst werden, wodurch vielfältige optische Funktionen möglich werden, die sonst von Linsen, Polarisatoren oder Gittern übernommen würden. Schaltbare Polymere hingegen sind Kunststoffe, deren Eigenschaften – etwa der Lichtbrechungsindex – zwischen verschiedenen Zuständen wechseln können.

„Die von uns verwendeten Polymere enthalten Farbstoffmoleküle“, fährt Felix Schacher vom Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie fort. „Das heißt, sie absorbieren Licht einer bestimmten Wellenlänge und verändern dabei ihre Struktur – und damit ihre Eigenschaften, wie in diesem Fall den Brechungsindex des Lichts.“

Um den Farbstoff wieder in seine vorherige Struktur mit der entsprechenden Eigenschaft zu versetzen, ist Licht einer anderen Wellenlänge erforderlich. „Das Besondere an unserem System ist“, erklärt die Physikerin Isabelle Staude, „dass sich die Änderungen des Brechungsindex auf die optischen Eigenschaften der Metaoberfläche auswirken, wenn diese mit einem solchen Polymer beschichtet wird.“

Die erzielten Veränderungen waren überraschend erheblich, selbst im Vergleich zu bisher bekannten ähnlichen Systemen. „Da die Polymere je nach Farbstoff eine unterschiedliche Absorption zeigen, lassen sich verschiedene Effekte sehr gut voneinander trennen oder kombinieren“, fasst der Physiker zusammen.

Ungewöhnliches körperliches Verhalten

Zusätzlich zu diesem vielversprechenden Ergebnis machte das Team eine überraschende Entdeckung. „In unserer Arbeit haben wir zwei verschiedene Farbstoffe separat verwendet, die jeweils auf eine Metaoberfläche aufgetragen wurden. Dies bestätigte den Effekt“, führt Schacher aus. „Beim Mischen beider schaltbarer Polymere treten jedoch zusätzliche Effekte auf“, berichtet er. „Wir vermuten, dass die beiden unterschiedlichen Farbstoffmoleküle miteinander interagieren, können es aber zum jetzigen Zeitpunkt nicht mit Sicherheit sagen.“ Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um dieses interessante Verhalten aufzuklären.

Obwohl es bei diesen schaltbaren Oberflächen vor allem darum ging, das Grundprinzip zu demonstrieren, kann sich die Forschungsgruppe mehrere Anwendungen vorstellen. „Da diese Oberflächen mit Licht zwischen verschiedenen Eigenschaftszuständen wechseln können, bietet sich die Sensorik als natürliches Anwendungsgebiet an“, so die Forscher.

Denkbar ist auch, dass solche schaltbaren Flächen zur optischen Datenverarbeitung genutzt werden könnten. „Natürlich würde es unserem Team Freude bereiten, wenn diese Komponenten beispielsweise für optische neuronale Netze genutzt werden könnten, die dann Bildinformationen auf die gleiche Weise verarbeiten könnten, wie es heute elektronische künstliche Intelligenz kann“, sagt Schacher.

„Da diese Art der Datenverarbeitung jedoch auf Licht und nicht auf Elektronik basiert, ist sie deutlich energieeffizienter und schneller als herkömmliche computerbasierte KI.“