Dem optischen Computer ein Stückchen näher

Computer, bei denen optische Elemente gängige elektronische Komponenten ersetzen. Einem deutsch-italienischen Forscherteam um Prof. Dr. Christoph Lienau, Physiker an der Universität Oldenburg, ist nun ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung optischer Schaltelemente gelungen. In der Februar-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics berichten die Wissenschaftler über ihre neuen Forschungsergebnisse zur Realisierung ultraschneller Lichtschalter.

Konventionelle Computer basieren auf Halbleitertransistoren: In ihnen werden elektronische Ströme geschaltet, die durch hauchfeine Leiterbahnen fließen. In aktuellen Prozessoren sind diese Leiterbahnen nur wenige zehn Nanometer breit – ein Nanometer ist der Milliardste Teil eines Meters – und die Ströme werden auf einer Zeitskala von etwa einer Nanosekunde geschaltet. „Im Prinzip könnte man erhebliche schnellere Computer realisieren, wenn es gelänge, Licht statt Elektronen in solche Leiterbahnen einzusperren und zu schalten“, erläutert Lienau. Solche „optischen Computer“ existieren bislang nur als Vision von WissenschaftlerInnen. Unter anderem deshalb, weil es enorm schwierig ist, Licht in solch kleinen Dimensionen einzufangen.

Hier konnten Forscher in den letzten Jahren mit der Entwicklung von nanostrukturierten metallischen Lichtleitern – zum Beispiel mikroskopisch kleinen Silber- oder Golddrähte – erhebliche Fortschritte erzielen. Allerdings gelang es mit diesen metallischen Lichtleitern alleine bisher nicht, Licht auch hinreichend schnell durch Licht zu schalten.

In ihrem Beitrag in Nature Photonics beschreiben die Wissenschaftler einen neuen Lichtschalter, aufgebaut aus einem Gitter aus nanostrukturierten Golddrähten, die mit einer dünnen Schicht eines organischen Halbleiters überzogen sind. „Wenn wir solche Hybrid-Strukturen mit kurzen Lichtblitzen bestrahlen“, erklärt Prof. Dr. Parinda Vasa, ehemals Physikerin in Oldenburg, nun Hochschullehrerin am Indian Institute of Technology in Mumbai, „dann oszilliert die Lichtenergie enorm schnell zwischen Golddraht und Halbleiter. Diese sogenannten Rabi-Oszillationen führen dazu, das wir das Licht, immer wenn es im Halbleiter angekommen ist, mit einem zweiten Lichtimpuls ausschalten können.“ Die Dauer eines Schaltprozesses beträgt dabei nur wenige zehn Femtosekunden, ist also mehr als 10.000 Mal schneller als in einem elektronischen Computer.

„Wir lernen zunehmend, wie wir die Bewegung von Lichtstrahlen in kleinsten räumlichen Strukturen und auf enorm kurzen Zeitskalen effizient kontrollieren und steuern können“, sagt Lienau. Auch wenn sie die Effizienz und Lebensdauer des optischen Schalters noch erheblich verbessern müssten, würden die sich daraus ergebenden Anwendungsperspektiven immer faszinierender und „rücken zunehmend in greifbare Nähe“, so der Physiker.

Das Oldenburger Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Schwerpunktsprogramms „Ultraschnelle Nanooptik“ und die deutsch-italienische Zusammenarbeit durch das Laserlab Europe Projekt der Europäischen Union gefördert.

Artikel in der Nature Photonics: doi:10.1038/nphoton.2012.340:
Parinda Vasa, Wei Wang, Robert Pomraenke, Melanie Lammers, Margherita Maiuri, Cristian Manzoni, Giulio Cerullo & Christoph Lienau: „Real-time observation of ultrafast Rabi oscillations between excitons and plasmons in metal nanostructures with J-aggregates“

Weitere Informationen: Prof. Dr. Christoph Lienau, Institut für Physik, AG Ultraschnelle Nano-Optik, Tel.: 0441/798-3485, E-Mail: christoph.lienau@uni-oldenburg.de

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