Robert Klatt
Schwarzer Phosphor ermöglicht die Erzeugung eines nur drei Atomlagen dicken Polfilters, der durch elektrische Signale manipuliert werden kann. In Zukunft könnten diese Polfilter unter anderem die Bandbreiten optischer Datenleitungen erhöhen.
Pasadena (U.S.A.). Die Polarisation (Schwingungsrichtung) des Lichts ist eine entscheidende Eigenschaft für eine Reihe von optischen Anwendungen, darunter optische Sensoren, Hologramm-Videos, LC-Displays und die Datenübertragung über optische Leitungen. Die Schwingungsrichtung der dafür notwendigen Photonen wird bislang in der Regel mithilfe von Nanostrukturen oder durch spezielle Filter erzeugt.
Materialien, die eine dynamische Anpassung der Polarisation ermöglichen, gab es jedoch nicht. „Eine elektronisch rekonfigurierbare Polarisation ist nur sehr eingeschränkt möglich“, erklärt Souvik Biswas vom California Institute of Technology (Caltech). Das liegt daran, dass bisher verfügbare Technologien auf Basis von Lithium-Niobat oder Flüssigkristallen sehr groß waren und daher in photonische Plattformen nicht integriert werden konnten.
Dem Team des Caltech hat laut einer Publikation im Fachmagazin Science nun ein polarisierendes Material entdeckt, das eine geringe Größe und eine dynamische Anpassung vereint. Es handelt sich dabei um schwarzen Phosphor, eine Phosphorvariante mit einer speziellen Atomkonfiguration, bei der die Atome im Kristallgitter so angeordnet sind, dass sie geriffelte Lagen erzeugen. „Diese winzigen Strukturen sind es, die die Polarisation bewirken“, so Teamleiter Harry Atwater.
„Wenn die Polarisation des Lichts beispielsweise entlang der Rippen ausgerichtet ist, reagiert das Material anders als wenn die Polarisation senkrecht dazu läuft, erklärt Atwater. In Abhängigkeit vom Einfallswinkel und der Polarisation schwarzen Phosphors wird das Licht demnach entweder gut reflektiert oder fast vollständig absorbiert. Die Physiker konnten in Experimenten aus einer nur drei Atomlagen dicken Schicht so einen effektiven Polfiter aus schwarzem Phosphor erzeugen.
Weil schwarzer Phosphor ein Halbleiter ist, kann das Verhalten des Polfiters durch elektrische Signale manipuliert werden. Den Wissenschaftlern gelang es dadurch, die Polarisation von Licht über einen breiten Spektralbereich, der auch Infrarotlicht umfasst, gezielt zu beeinflussen. „Das macht den dreilagigen schwarzen Phosphor besonders interessant für die Polarisations-Konversion in Telekommunikations-Frequenzen“, so die Physiker. In Zukunft könnte der Polfiter unter anderem die Bandbreite optischer Datenleitungen erhöhen. Hinzukommt, dass die geringe Größe den Einsatz in miniaturisierten optischen Geräten ermöglicht.
„Unsere Ergebnisse repräsentieren damit einen Weg zu einer aktiven Kontrolle der optischen Polarisation im Nanomaßstab“, konstatieren die Forscher. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sehen sie neben der Telekommunikation bei großflächigen Dünnschicht-Polfiltern, auf Polarisation beruhenden Displays und bei selektiven Photosensoren.
Science, doi: 10.1126/science.abj7053
