Physiker Steuern Licht in 74 Femtosekunden

Ein internationales Physikerteam hat eine innovative Metasurface entwickelt, mit der sich Lichtstrahlen in nur 74 Femtosekunden lenken und formen lassen – ganz ohne mechanische Teile, Spiegel oder Linsen. Die in Nature Nanotechnology veröffentlichten Versuchsergebnisse dürften einen wichtigen Schritt für optische Systeme und künftige Computertechnologien darstellen. Laut Ixbt.com berichtet dies.

Das von Forschern der University of California, Berkeley, und der Universität Tel Aviv entwickelte Gerät kann Licht um bis zu ±13 Grad ablenken. Die Steuerung erfolgt mithilfe eines zweiten Lichtimpulses, der die optischen Eigenschaften des Materials verändert. Die Schaltgeschwindigkeit wird nur durch die Dauer des Steuerimpulses begrenzt.

Laut Nature Nanotechnology beruht der entscheidende Durchbruch auf dem optischen Kerr-Effekt. Dabei verändert sich der Brechungsindex eines Materials unter intensiver Lichteinstrahlung. Der Kerr-Effekt ist normalerweise sehr schwach, besitzt jedoch eine Reaktionsgeschwindigkeit im Subfemtosekundenbereich, sodass die elektronische Polarisation des Materials nahezu sofort reagiert.

Metasurfaces und optische Resonatoren

Um die Kerr-Reaktion auf ein praxistaugliches Niveau zu verstärken, entwickelten die Wissenschaftler eine resonante Metasurface mit einem hohen Qualitätsfaktor. Ihre Elementarzellen bestehen aus Siliziumstrukturen, die kleiner als die Wellenlänge sind und die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erheblich verstärken.

Laut Claudio Hail, einem der Hauptautoren der Studie, bestand die zentrale Idee darin, eine Metasurface zu entwickeln, deren optische Reaktion während der Herstellung nicht festgelegt wird. Durch die Veränderung des Beleuchtungsmusters lässt sich steuern, wie das Gerät Licht in extrem kurzen Zeitintervallen lenkt und formt.

Perspektiven für Kommunikationssysteme und optisches Computing

Diese Technologie könnte für Kommunikationssysteme von großer Bedeutung sein, da die Lichtsteuerung mit dieser Geschwindigkeit eine direkte Verarbeitung optischer Signale ermöglichen würde, ohne die Zwischenumwandlung in elektrischen Strom. In heutigen Datennetzen wird Licht in Strom umgewandelt, was den Zeit- und Energieaufwand erhöht.

Licht mithilfe einer Metasurface innerhalb von Dutzenden Femtosekunden zu lenken, gilt als vielversprechender Ansatz, der optische Logik und Schaltungen zu einer echten Alternative zu elektronischen Technologien machen könnte. Die Autoren betonen, dass sich die Arbeit noch in einer grundlegenden Phase befindet und praktische Geräte noch in weiter Ferne liegen. Dennoch öffnet die Entdeckung die Tür zu vollständig optischem Computing und neuen Architekturen für Quantenschnittstellen.