Wissenschaftler erfinden die kleinste bekannte Methode zur Lichtlenkung

Licht von Ort zu Ort zu lenken ist das Rückgrat unserer modernen Welt. Unter den Ozeanen und über Kontinente hinweg transportieren Glasfaserkabel Licht, das alles von YouTube-Videos bis hin zu Banküberweisungen kodiert – alles in Strähnen von der Größe eines Haares.

Professor Jiwoong Park von der University of Chicago fragte sich jedoch, was passieren würde, wenn man noch dünnere und flachere Strähnen herstellen würde – praktisch so dünn, dass sie tatsächlich zweidimensional statt dreidimensional wären. Was würde mit dem Licht passieren?

Durch eine Reihe innovativer Experimente fanden er und sein Team heraus, dass eine nur wenige Atome dicke Glaskristallschicht Licht einfangen und transportieren kann. Darüber hinaus war es überraschend effizient und konnte relativ große Entfernungen zurücklegen – bis zu einem Zentimeter, was in der Welt der lichtbasierten Datenverarbeitung sehr weit ist.

Die Studie, veröffentlicht in Wissenschaftdemonstriert im Wesentlichen zweidimensionale photonische Schaltkreise und könnte Wege für neue Technologien ebnen.

„Wir waren völlig überrascht, wie leistungsstark dieser superdünne Kristall ist. Er kann nicht nur Energie speichern, sondern sie auch tausendmal weiter abgeben, als irgendjemand jemals in ähnlichen Systemen gesehen hat“, sagte der leitende Studienautor Jiwoong Park, Professor und Vorsitzender von Chemie und Fakultätsmitglied des James Franck Institute und der Pritzker School of Molecular Engineering. „Das eingefangene Licht verhielt sich auch so, als würde es sich in einem zweidimensionalen Raum bewegen.“

Vorbild

Das neu erfundene System ist eine Methode zur Lichtführung – ein sogenannter Wellenleiter –, der im Wesentlichen zweidimensional ist. In Tests fanden die Forscher heraus, dass sie extrem kleine Prismen, Linsen und Schalter verwenden konnten, um den Weg des Lichts entlang eines Chips zu lenken – alles Zutaten für Schaltkreise und Berechnungen.

Photonische Schaltkreise gibt es bereits, allerdings sind sie viel größer und dreidimensional. Entscheidend ist, dass sich die Lichtteilchen – sogenannte Photonen – in bestehenden Wellenleitern immer eingeschlossen im Wellenleiter bewegen.

Bei diesem System, so erklärten die Wissenschaftler, ist der Glaskristall tatsächlich dünner als das Photon selbst – sodass ein Teil des Photons auf seinem Weg tatsächlich aus dem Kristall herausragt.

Es ist ein bisschen wie der Unterschied zwischen dem Bau einer Röhre, um Koffer durch einen Flughafen zu befördern, und dem Aufstellen auf einem Förderband. Mit einem Förderband sind die Koffer offen in der Luft und Sie können sie unterwegs leicht sehen und anpassen. Dieser Ansatz erleichtert den Bau komplizierter Geräte mit den Glaskristallen erheblich, da das Licht mit Linsen oder Prismen leicht bewegt werden kann.

Unterwegs können die Photonen auch Informationen über die Verhältnisse erfahren. Denken Sie daran, die Koffer, die von draußen kommen, zu überprüfen, um zu sehen, ob es draußen schneit. Ebenso können sich die Wissenschaftler vorstellen, diese Wellenleiter zur Herstellung von Sensoren auf mikroskopischer Ebene zu nutzen.

„Angenommen, Sie hätten eine Flüssigkeitsprobe und wollten spüren, ob ein bestimmtes Molekül vorhanden ist“, erklärte Park. „Man könnte es so gestalten, dass dieser Wellenleiter durch die Probe wandert und die Anwesenheit dieses Moleküls das Verhalten des Lichts verändern würde.“

Die Wissenschaftler sind auch daran interessiert, sehr dünne photonische Schaltkreise zu bauen, die gestapelt werden könnten, um viele weitere winzige Geräte auf derselben Chipfläche zu integrieren. Der Glaskristall, den sie in diesen Experimenten verwendeten, war Molybdändisulfid, aber die Prinzipien sollten auch für andere Materialien funktionieren.

Obwohl theoretische Wissenschaftler vorhergesagt hatten, dass dieses Verhalten existieren sollte, sei es eine jahrelange Reise gewesen, es im Labor tatsächlich zu realisieren, sagten die Wissenschaftler.

„Es war ein wirklich herausforderndes, aber befriedigendes Problem, weil wir uns auf ein völlig neues Gebiet begaben. Also mussten wir alles, was wir brauchten, selbst erfinden – vom Anbau des Materials bis zur Messung der Lichtbewegung“, sagte der Doktorand Hanyu Hong Co-Erstautor der Arbeit.