Es ist seit Jahrhunderten bekannt, dass Licht in bestimmten Situationen ein wellenförmiges Verhalten zeigt. Einige Materialien sind in der Lage, die Polarisation, also die Schwingungsrichtung, der Lichtwelle zu drehen, wenn das Licht das Material durchdringt. Diese Eigenschaft wird in einer zentralen Komponente optischer Kommunikationsnetze genutzt, die als „optischer Isolator“ oder „optische Diode“ bekannt ist. Diese Komponente ermöglicht die Ausbreitung von Licht in eine Richtung, blockiert jedoch alles Licht in die andere Richtung.
In einer aktuellen Studie haben deutsche und indische Physiker gezeigt, dass ultradünne zweidimensionale Materialien wie Wolframdiselenid die Polarisation von sichtbarem Licht bei bestimmten Wellenlängen unter kleinen Magnetfeldern, die für den Einsatz auf Chips geeignet sind, um mehrere Grad drehen können. Die Wissenschaftler der Universität Münster und des Indian Institute of Science Education and Research (IISER) in Pune, Indien, haben ihre Ergebnisse in der Zeitschrift veröffentlicht Nature Communications.
Eines der Probleme herkömmlicher optischer Isolatoren besteht darin, dass sie mit Größen zwischen mehreren Millimetern und mehreren Zentimetern recht groß sind. Daher ist es den Forschern bisher nicht gelungen, miniaturisierte integrierte optische Systeme auf einem Chip zu schaffen, die mit alltäglichen elektronischen Technologien auf Siliziumbasis vergleichbar sind. Aktuelle integrierte optische Chips bestehen nur aus wenigen hundert Elementen auf einem Chip.
Im Vergleich dazu enthält ein Computerprozessorchip viele Milliarden Schaltelemente. Die Arbeit des deutsch-indischen Teams ist daher ein Fortschritt in der Entwicklung miniaturisierter optischer Isolatoren. Die von den Forschern verwendeten 2D-Materialien sind nur wenige Atomschichten dick und damit hunderttausendmal dünner als ein menschliches Haar.
„Zweidimensionale Materialien könnten in Zukunft zum Kern optischer Isolatoren werden und eine On-Chip-Integration für heutige optische und zukünftige quantenoptische Rechen- und Kommunikationstechnologien ermöglichen“, sagt Prof. Rudolf Bratschitsch von der Universität Münster.
Prof. Ashish Arora vom IISER fügt hinzu: „Sogar die sperrigen Magnete, die auch für optische Isolatoren benötigt werden, könnten durch atomar dünne 2D-Magnete ersetzt werden.“ Dies würde die Größe photonischer integrierter Schaltkreise drastisch reduzieren.
Das Team entschlüsselte den Mechanismus, der für den gefundenen Effekt verantwortlich ist: Gebundene Elektron-Loch-Paare, sogenannte Exzitonen, in 2D-Halbleitern drehen die Polarisation des Lichts sehr stark, wenn das ultradünne Material in ein kleines Magnetfeld gebracht wird.
„Die Durchführung solch empfindlicher Experimente an zweidimensionalen Materialien ist nicht einfach, da die Probenflächen sehr klein sind“, sagt Arora. Die Wissenschaftler mussten eine neue Messtechnik entwickeln, die rund 1,000 Mal schneller ist als bisherige Methoden.