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Forscher entwickeln mit Licht betriebene Technologien

Forscher entwickelten eine nanoskalige Photonendiode - ein notwendiges Bauelement, das uns schnelleren, energieeffizienteren Computern und Kommunikationssystemen näher bringen könnte, die den Strom durch Licht ersetzen.

Die Zukunft einer schnelleren und effizienteren Informationsverarbeitung kann eher mit Licht als mit Elektrizität realisiert werden. Mark Lawrence, Postdoc-Wissenschaftler für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Stanford University, ist dieser Zukunft einen Schritt näher gekommen, mit dem Ziel, eine Photonendiode herzustellen - ein Element, das Licht nur in eine Richtung fließen lässt - und, die im Gegensatz zu anderen auf Licht basierten Dioden klein genug für die moderne Elektronik ist.

Alles, was er tun musste, war, kleinere als mikroskopische Strukturen zu entwerfen und eine grundlegende Symmetrie der Physik zu durchbrechen.

"Dioden sind in der modernen Elektronik allgegenwärtig, von LEDs über Solarzellen bis hin zu integrierten Schaltungen für Computer und die Kommunikation", sagte Jennifer Dionne, außerordentliche Professorin für Materialwissenschaft und Technik und leitende Autorin des Forschungsberichtes, der in "Nature Communications" erschien.

"Die Realisierung kompakter, effizienter photonischer Dioden ist von größter Bedeutung, um die nächste Generation von Computer-, Kommunikations- und sogar Energieumwandlungstechnologien zu ermöglichen."

Bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt haben die Forscher die neue Photonendiode entworfen und ihr Design mit Computersimulationen und Berechnungen überprüft.

Sie haben auch die notwendigen Nanostrukturen geschaffen - die speziellen extrem kleinen Komponenten - und installierten die Lichtquelle, von der sie hoffen, dass sie ihr theoretisches System zum Leben erwecken wird.

"Eine große Vision ist ein rein optischer Computer, bei dem Strom vollständig durch Licht ersetzt wird und Photonen die gesamte Informationsverarbeitung abwickeln", sagte Lawrence.

"Die erhöhte Geschwindigkeit und Bandbreite des Lichtes würde schnellere Lösungen für einige der schwierigsten wissenschaftlichen, mathematischen und wirtschaftlichen Probleme ermöglichen."

Bei einer auf Llicht basierten Diode hat man es mit zwei hauptsächlichen Herausforderungen zu tun. Erstens, nach den Gesetzen der Thermodynamik, sollte sich das Licht durch ein Objekt ohne bewegliche Teile vorwärts bewegen, genau so wie es sich rückwärts bewegen würde.

Damit es nur in eine Richtung wandern kann, bedarf es neuer Materialien, die dieses Gesetz aufheben und die sogenannte Zeitumkehrsymmetrie brechen. Zweitens ist Licht viel schwieriger zu manipulieren als Strom, weil es keine Ladung hat.

Andere Forscher haben sich diesen Herausforderungen bereits gestellt, indem sie das Licht durch einen Polarisator, der die Lichtwellen in eine einheitliche Richtung schwingen lässt, und dann durch ein kristallines Material in einem Magnetfeld geleitet haben, das die Polarisation des Lichts rotiert.

Schließlich leitet ein weiterer Polarisator, der auf diese Polarisation abgestimmt ist, das Licht mit nahezu perfekter Transmission aus. Wenn das Licht in der entgegengesetzten Richtung durch das Gerät geleitet wird, tritt kein Licht aus.

Lawrence beschrieb die Einbahnaktion dieses dreiteiligen Aufbaus, der als Faraday-Isolator bekannt ist, als ähnlich dem Positionieren eines laufenden Bürgersteigs zwischen zwei Türen, bei dem der Bürgersteig die Rolle des Magnetfeldes spielt.

Selbst wenn man versuchen würde, durch die letzte Tür rückwärtszugehen, würde der Bürgersteig einen normalerweise daran hindern, die erste Tür zu erreichen.

Um eine ausreichend starke Rotation der Lichtpolarisation zu erzeugen, müssen diese Dioden relativ groß sein - viel zu groß für übliche Computer oder Smartphones.

Als Alternative entwickelten die Forscher eine Möglichkeit, die Rotation im Kristall mit einem anderen Lichtstrahl anstelle eines Magnetfeldes zu erzeugen.

Dieser Strahl ist polarisiert, sodass sein elektrisches Feld eine spiralförmige Bewegung annimmt, die wiederum rotierende akustische Vibrationen im Kristall erzeugt, die ihm magnetische Spinnfähigkeiten verleihen und mehr Licht zum Vorschein bringen.

Um die Struktur klein und effizient zu gestalten, setzten die Forscher auf deren Expertise bei der Manipulation und Verstärkung von Licht mit winzigen Nanoantennen und nanostrukturierten Materialien, den Meta-Oberflächen.

Die Forscher entwickelten Arrays aus ultradünnen Siliziumscheiben, die paarweise arbeiten, um das Licht einzufangen und seine spiralförmige Bewegung zu verstärken, bis es seinen Weg nach draußen findet.

Dies führt zu einer hohen Transmission in Vorwärtsrichtung. Wenn sie in der Rückwärtsrichtung beleuchtet werden, drehen sich die akustischen Vibrationen in entgegengesetzter Richtung und helfen, jegliches Licht, das austreten möchte, auszublenden.

Theoretisch gibt es kein Limit, wie klein dieses System sein könnte. Für ihre Simulationen stellten sie sich Strukturen bis zu einer Dicke von 250 nm vor. (Als Referenz: Ein Blatt Papier ist etwa 100.000 nm dick.)

Im Großen und Ganzen interessiert die Forscher vor allem, wie ihre Ideen die Entwicklung von gehirnähnlichen Computern, den sogenannten neuromorphen Computern, beeinflussen könnten.

Dieses Ziel erfordert auch weitere Fortschritte bei anderen lichtbasierten Komponenten, wie beispielsweise nanoskaligen Lichtquellen und Schaltern.

"Unsere nanophotonischen Elemente bieten uns die Möglichkeit, das Rechnen der Neuronen nachzuahmen - was der Computertechnik die gleiche hohe Verbindungsfähigkeit und Energieeffizienz wie beim Gehirn verleiht, aber mit viel schnelleren Rechengeschwindigkeiten", sagte Dionne.

"Wir können diese Ideen in so viele Richtungen bringen", sagte Lawrence. "Wir haben die Grenzen des klassischen oder quantenoptischen Rechnens und der optischen Informationsverarbeitung nicht gefunden. Eines Tages könnten wir einen rein optischen Chip haben, der alles tut, was die Elektronik kann und mehr."

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