Mikroskopische Farbkonverter bringen kleine laserbasierte Geräte näher an die Realität

Laser sind überall. Geräte, die sie verwenden, übertragen Informationen und ermöglichen die Existenz von Fernkommunikation und des Internets; sie helfen Ärzten, die Operationen durchführen, und Ingenieuren, die fortschrittliche Werkzeuge und Technologien herstellen; und tagtäglich begegnen wir Lasern, wenn wir unsere Lebensmittel scannen und DVDs ansehen. „In den 60 Jahren seit ihrer Erfindung haben Laser unser Leben grundlegend verändert“, sagte Giulio Cerullo, ein Forscher für nichtlineare Optik am Politecnico di Milano in Italien.

Heute, mit Hilfe neuer Forschungsergebnisse von Cerullo und Mitarbeitern der Columbia University, veröffentlicht in NaturphotonikGeräte, die Laser verwenden, sind bereit, eine ganze Menge kleiner zu werden.

Arbeiten im Labor des Ingenieurs James Schuck an der Columbia, Ph.D. Die Studentin Xinyi Xu und die Postdoc Chiara Trovatello untersuchten ein 2D-Material namens Molybdändisulfid (MoS2). Sie charakterisierten, wie effizient Geräte, die aus Stapeln von MoS2 mit einer Dicke von weniger als einem Mikrometer – das ist 100 Mal dünner als ein menschliches Haar – gebaut sind, Lichtfrequenzen bei Telekommunikationswellenlängen umwandeln, um unterschiedliche Farben zu erzeugen.

Diese neue Forschung ist ein erster Schritt, um die Standardmaterialien zu ersetzen, die in heutigen durchstimmbaren Lasern verwendet werden, die in Millimetern und Zentimetern gemessen werden, sagte Trovatello, die kürzlich ihren Ph.D. bei Cerullo in Mailand. „Nichtlineare Optik ist derzeit eine makroskopische Welt, aber wir wollen sie mikroskopisch machen“, sagte sie.

Laser geben eine besondere Art von kohärentem Licht ab, was bedeutet, dass alle Photonen im Strahl die gleiche Frequenz und damit Farbe haben. Laser arbeiten nur mit bestimmten Frequenzen, aber Geräte müssen oft in der Lage sein, verschiedene Farben von Laserlicht einzusetzen. Beispielsweise wird ein grüner Laserpointer tatsächlich von einem Infrarotlaser hergestellt, der von einem makroskopischen Material in eine sichtbare Farbe umgewandelt wird. Forscher verwenden nichtlineare optische Techniken, um die Farbe von Laserlicht zu ändern, aber herkömmlich verwendete Materialien müssen relativ dick sein, damit die Farbumwandlung effizient erfolgt.

MoS2 ist eines der am besten untersuchten Beispiele einer aufstrebenden Materialklasse namens Übergangsmetalldichalkogenide, die in atomar dünne Schichten abgezogen werden können. Einzelne MoS2-Schichten können Lichtfrequenzen effizient umwandeln, sind aber eigentlich zu dünn, um sie zum Bau von Geräten zu verwenden. Größere MoS2-Kristalle hingegen neigen dazu, in einer nicht farbumwandelnden Form stabiler zu sein. Um die erforderlichen Kristalle, bekannt als 3R-MoS2, herzustellen, arbeitete das Team mit dem kommerziellen 2D-Materiallieferanten HQ Graphene zusammen.

Mit 3R-MoS2 in der Hand begann Xu, Proben unterschiedlicher Dicke abzuschälen, um zu testen, wie effizient sie die Lichtfrequenz umwandeln. Die Ergebnisse waren auf Anhieb spektakulär. „In der Wissenschaft beginnt man selten mit einem Projekt, das am Ende besser funktioniert als erwartet – meist ist es das Gegenteil. Das war ein seltener, magischer Fall“, bemerkte Schuck. Normalerweise seien spezielle Sensoren nötig, um das von einer Probe erzeugte Licht zu registrieren, und das brauche einige Zeit, erklärte Xu. „Mit 3R-MoS2 konnten wir die extrem große Verbesserung fast sofort sehen“, sagte er. Insbesondere zeichnete das Team diese Konvertierungen bei Telekommunikationswellenlängen auf, ein Schlüsselmerkmal für potenzielle optische Kommunikationsanwendungen, wie z. B. die Bereitstellung von Internet- und Fernsehdiensten.

Bei einem glücklichen Zufall konzentrierte sich Xu während eines Scans auf eine zufällige Kante eines Kristalls und sah Streifen, die darauf hindeuteten, dass Wellenleitermoden im Inneren des Materials vorhanden waren. Wellenleitermoden halten Photonen unterschiedlicher Farbe, die sich ansonsten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über den Kristall bewegen, synchron und können möglicherweise zur Erzeugung sogenannter verschränkter Photonen verwendet werden, einer Schlüsselkomponente von quantenoptischen Anwendungen. Das Team übergab seine Geräte an das Labor des Physikers Dmitri Basov, wo sein Postdoc Fabian Mooshammer ihre Vermutung bestätigte.

Derzeit ist Lithiumniobat der beliebteste Kristall für die wellengeführte Umwandlung und die Erzeugung verschränkter Photonen, ein hartes und steifes Material, das ziemlich dick sein muss, um brauchbare Umwandlungseffizienzen zu erreichen. 3R-MoS2 ist ebenso effizient, aber 100-mal kleiner und flexibel genug, dass es mit Silizium-Photonikplattformen kombiniert werden kann, um optische Schaltkreise auf Chips zu erstellen, die dem Weg immer kleinerer Elektronik folgen.

Mit diesem Proof-of-Concept-Ergebnis besteht der Engpass für reale Anwendungen in der großtechnischen Produktion von 3R-MoS2 und der Strukturierung von Geräten mit hohem Durchsatz. Dort, so das Team, müsse die Industrie übernehmen. Mit dieser Arbeit hoffen sie, das Versprechen von 2D-Materialien demonstriert zu haben.

„Ich arbeite jetzt seit mehr als dreißig Jahren an nichtlinearer Optik. Die Forschung ist meistens inkrementell und baut langsam auf dem auf, was vorher war. Es kommt selten vor, dass man etwas völlig Neues mit großem Potenzial macht“, sagte Cerullo. „Ich habe das Gefühl, dass dieses neue Material das Spiel verändern könnte.“