Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Lichtpuls flüchtet vor dem anderen und ändert dabei seine Farbe

16.04.2018

Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH), der ITMO-Universität in St. Petersburg, der Menoufia Universität, der Universität York, der Universität St. Andrews, des Tyndall-Instituts in Cork, der Sun Yat-sen Universität in Guangzhou und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht haben in eigens hierfür entwickelten und hergestellten nanophotonischen Siliziumchips einen neuartigen Effekt realisiert.

In einem speziellen photonischen Kristallwellenleiter verfolgt hierbei ein nur sechs Billionstel Sekunden dauernder und sich schnell aus-breitender Lichtpuls (Pumpe) einen zunächst langsameren zweiten Lichtpuls (Signal). Der Signalpuls wird durch die Wechselwirkung mit dem Pumppuls beschleunigt, ändert seine Frequenz bzw. Farbe und eilt schließlich in Vorwärtsrichtung davon.


Abbildung 1: Links (a): Schematische Darstel­lung des indirekten photonischen Bandüber­gangs mittels Banddiagramm. Dispersionsfunktion des ursprüng­lichen photonischen Kristallwellenleiters vor der Wand (durchgezogene Linie) und des geschalteten Wellenleiters hinter der Wand (gestrichelte Linie). Rechts (b): Schema des photonischen Kri­stall-Wellenleiters (Silizium: grau, Löcher: weiß). Das Signal, zunächst mit niedriger Frequenz (rot), bleibt im ursprünglichen Wellenleiter, kann nach der Wechselwirkung nur auf dersel­ben Disper­sionsfunktion landen, ändert dabei seine Frequenz und wird beschleunigt (blau). Der heraneilende Pumppuls erzeugt langlebige freie Ladungs­träger­, die hinter der Front verbleiben (orange). Alle Signale haben Wellenlängen im nahen Infrarot in der Nähe von 1550 nm. Grafik: TUHH

Der realisierte Effekt weist eine Analogie zu dem von theoretischen Physikern beschriebenen „Ereignishorizont“ in der Umgebung kosmischer schwarzer Löcher auf, also dem „Punkt ohne Wiederkehr“ für Lichtteilchen, die diese Wand von innen nach außen nicht durchqueren können und schließlich unweigerlich vom schwarzen Loch aufgesogen werden. Derartige Wände für Licht und Änderungen in der Geschwindigkeit und Farbe von Licht in der von den Wissenschaftlern nun beschriebenen Weise sind aus dem Alltagsleben völlig unbekannt und nur unter ganz besonderen Bedingungen beobachtbar.

Wie funktioniert das?

Der Pumppuls setzt Elektronen im Silizium frei und bildet dadurch eine sich schnell bewegende Wand, wobei die langlebigen Ladungsträger hinter der Front verbleiben (Abbildung 1 rechts). Die Bedingungen wurden durch das spezielle Design des photonischen Kristallwellenleiters so gewählt, dass der Signalpuls nicht in den Bereich hinter der Wand eindringen kann und stattdessen in Vorwärtsrichtung vor der heraneilenden Wand flüchtet.

Da sowohl Frequenz als auch Wellenzahl des Signals hierbei verändert werden – was sehr ungewöhnlich ist-, handelt es sich um einen „indirekten“ photonischen Bandübergang (Abbildung 1 links), der nun sowohl theoretisch beschrieben, modelliert und im Experiment realisiert wurde.

Die unter Führung der Hamburger Wissenschaftler gewonnenen neuen Erkenntnisse der Grundlagenforschung sind darüber hinaus von großer Bedeutung für Anwendungen in der ultra-schnellen optischen Nachrichtentech-nik. Aufgrund des besonderen Designs können mit vergleichsweise niedrigen Pumpleistungen sehr große Effekte erzielt werden, wodurch das neuartige Verfahren für die „On-Chip“-Frequenzkonversion und für das rein opti-sche Schalten eingesetzt werden kann.

Die Arbeit wurde am 13.04.2018 in Nature Communications, einer der international am höchsten angesehenen Fachzeitschriften, publiziert.
Publikation:
Online: https://www.nature.com/articles/s41467-018-03862-0

Reflection from a free carrier front via an intraband indirect photonic transition, Mahmoud A. Gaafar, Dirk Jalas, Liam O’Faolain, Juntao Li, Thomas F. Krauss, Alexander Yu. Petrov, and Manfred Eich,
Nature Communications 9, 1447 (2018), doi 10.1038/s41467-018-03862-0

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Manfred Eich
Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Optische und Elektronische Materialien,
Eißendorfer Straße 38, D-21073 Hamburg
und
Institut für Werkstoffforschung, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Max-Planck-Strasse 1, Geesthacht, D-21502, Germany,
Tel +49 40 42878 3147
E-Mail: m.eich@tuhh.de,
Website: www.tuhh.de/alt/oem/home.html 

Jasmine Ait-Djoudi | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.tuhh.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Intelligente Bauteile für das Stromnetz der Zukunft
18.04.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Energie: Preiswertere, weniger toxische und recycelbare Lichtsensoren zur Wasserstoffherstellung
17.04.2018 | Wissenschaftliche Abteilung, Französische Botschaft in der Bundesrepublik Deutschland

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden

Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen. Ein gigantischer Gammastrahlungsblitz wird hier durch die Wechselwirkung eines dichten ultra-relativistischen Elektronenstrahls mit einem dünnen leitenden Festkörper erzeugt. Die reichliche Produktion energetischer Gammastrahlen beruht auf der Aufspaltung des Elektronenstrahls in einzelne Filamente, während dieser den Festkörper durchquert. Die erreichbare Energie und Intensität der Gammastrahlung eröffnet neue und fundamentale Experimente in der Kernphysik.

Die typische Wellenlänge des Lichtes, die mit einem Objekt des Mikrokosmos wechselwirkt, ist umso kürzer, je kleiner dieses Objekt ist. Für Atome reicht dies...

Im Focus: Gamma-ray flashes from plasma filaments

Novel highly efficient and brilliant gamma-ray source: Based on model calculations, physicists of the Max PIanck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg propose a novel method for an efficient high-brilliance gamma-ray source. A giant collimated gamma-ray pulse is generated from the interaction of a dense ultra-relativistic electron beam with a thin solid conductor. Energetic gamma-rays are copiously produced as the electron beam splits into filaments while propagating across the conductor. The resulting gamma-ray energy and flux enable novel experiments in nuclear and fundamental physics.

The typical wavelength of light interacting with an object of the microcosm scales with the size of this object. For atoms, this ranges from visible light to...

Im Focus: Wie schwingt ein Molekül, wenn es berührt wird?

Physiker aus Regensburg, Kanazawa und Kalmar untersuchen Einfluss eines äußeren Kraftfeldes

Physiker der Universität Regensburg (Deutschland), der Kanazawa University (Japan) und der Linnaeus University in Kalmar (Schweden) haben den Einfluss eines...

Im Focus: Basler Forschern gelingt die Züchtung von Knorpel aus Stammzellen

Aus Stammzellen aus dem Knochenmark von Erwachsenen lassen sich stabile Gelenkknorpel herstellen. Diese Zellen können so gesteuert werden, dass sie molekulare Prozesse der embryonalen Entwicklung des Knorpelgewebes durchlaufen, wie Forschende des Departements Biomedizin von Universität und Universitätsspital Basel im Fachmagazin PNAS berichten.

Bestimmte mesenchymale Stamm-/Stromazellen aus dem Knochenmark von Erwachsenen gelten als äusserst viel versprechend für die Regeneration von Skelettgewebe....

Im Focus: Basel researchers succeed in cultivating cartilage from stem cells

Stable joint cartilage can be produced from adult stem cells originating from bone marrow. This is made possible by inducing specific molecular processes occurring during embryonic cartilage formation, as researchers from the University and University Hospital of Basel report in the scientific journal PNAS.

Certain mesenchymal stem/stromal cells from the bone marrow of adults are considered extremely promising for skeletal tissue regeneration. These adult stem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Mai zum 7. Mal an der Hochschule Stralsund

12.04.2018 | Veranstaltungen

Materialien erlebbar machen - MatX 2018 - Internationale Konferenz für Materialinnovationen

12.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Laser erzeugt Magnet – und radiert ihn wieder aus

18.04.2018 | Physik Astronomie

Neue Technik macht Mikro-3D-Drucker präziser

18.04.2018 | Physik Astronomie

Intelligente Bauteile für das Stromnetz der Zukunft

18.04.2018 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics