Physiker drehen Lichtstrahlen
Lichtwellen gezielt rotieren – dieses Kunststück ist Physikern aus Würzburg und Wien mit einer ultradünnen Halbleiterschicht gelungen. Mit seiner Hilfe lässt sich ein Transistor bauen, der mit Licht statt elektrischem Strom funktioniert.
Lichtwellen können in unterschiedliche Richtungen schwingen – ähnlich wie eine gespannte Saite, die von oben nach unten oder von links nach rechts schwingt, je nachdem, wie man sie anzupft. Professor Laurens Molenkamp und sein Mitarbeiter Georgy Astakhov vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg haben eine Methode entwickelt, um die Schwingungsrichtung von Licht mit einer ultradünnen Halbleiterschicht gezielt zu kontrollieren und beliebig zu drehen. Das gelang ihnen in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Professor Andrei Pimenov, der vor Kurzem von Würzburg an die Technische Universität Wien gewechselt ist.
Für die weitere Erforschung von Licht und seiner Polarisation ist das ein wichtiger Schritt nach vorn, der vielleicht auch Möglichkeiten für eine neuartige Computertechnik öffnet. Die Resultate der Experimente sind im angesehenen Journal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.
Magnetfeld steuert das Licht
Die Schwingungsrichtung von Licht kann sich ändern, wenn man es in einem starken Magnetfeld durch bestimmte Materialien schickt – dieses Phänomen heißt Faraday-Effekt. „Bei allen bisher dafür bekannten Materialien war dieser Effekt allerdings recht schwach“, erklärt Professor Pimenov.
Einen um Größenordnungen stärkeren Faraday-Effekt haben die Physiker nun durch die Verwendung von Licht des richtigen Wellenlängenbereiches und mit extrem sauberen Halbleitern aus Quecksilber-Tellurid erzielt: Damit lassen sich Lichtwellen in beliebige Richtungen drehen – man kann die Schwingungsrichtung durch die Stärke des äußeren Magnetfeldes präzise steuern. Schickt man den Lichtstrahl danach durch einen Polarisationsfilter, der nur Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung durchlässt, so kann man durch Drehung der Polarisation gezielt steuern, ob das Licht durchgelassen wird oder nicht.
Elektronen des Halbleiters schwingen
Erstaunlicherweise reichen dafür ultradünne Halbleiterschichten von weniger als einem Tausendstel Millimeter Dicke aus. „Mit anderen Materialien dieser Dicke könnte man die Polarisationsrichtung des Lichtes höchstens um Bruchteile eines Grades verändern“, sagen die Physiker.
Der Schlüssel zu dem Effekt liegt in den Elektronen des Halbleiters: Der Lichtstrahl versetzt sie in Schwingung, das zusätzlich angelegte Magnetfeld lenkt sie während des Schwingens ab. Diese Elektronenbewegung beeinflusst nun ihrerseits den Lichtstrahl und verändert seine Schwingungsrichtung.
Optischer Transistor für Computer
Bei dem Experiment wurde eine Schicht aus Quecksilber-Tellurid mit Infrarotlicht bestrahlt. „Das Licht hat eine Frequenz im Terahertz-Bereich – erst die übernächste Generation von Computern wird solche Frequenzen vielleicht erreichen“, meinen die Forscher. Seit Jahren erhöhe sich die Taktfrequenz von Computern kaum noch, weil man in einen Bereich vorgedrungen ist, in dem die Materialeigenschaften nicht mehr problemlos mitspielen.
Eine mögliche Lösung wäre es, elektronische Schaltungen durch optische Elemente zu ergänzen. Bei einem Transistor, dem Grundelement der Elektronik, wird ein elektrischer Stromfluss abhängig von einem zusätzlichen Eingangssignal gesteuert. Beim Experiment der Physiker wird ein Lichtstrahl durch ein äußeres Magnetfeld gesteuert – die beiden Systeme sind einander sehr ähnlich. Ihr System ließe sich darum auch als „Licht-Transistor“ bezeichnen.
Bevor allerdings solche optischen Computerschaltungen realisierbar sind, wird sich der neu entdeckte Effekt in jedem Fall als sehr nützliches Forschungswerkzeug erweisen: In optischen Labors wird er in Zukunft eine Rolle bei der Untersuchung von Materialien und der Physik des Lichtes spielen.
Forschung an topologischen Isolatoren
Die beschriebenen Experimente stehen in engem Zusammenhang mit der Untersuchung topologischer Isolatoren im Labor von Laurens Molenkamp. Für diese Forschungsrichtung hat der Europäische Forschungsrat dem Würzburger Physiker Anfang 2011 die Summe von 2,5 Millionen Euro bewilligt.
“Giant Magneto-Optical Faraday Effect in HgTe Thin Films in the Terahertz Spectral Range”, A. M. Shuvaev, G. V. Astakhov, A. Pimenov, C. Brüne, H. Buhmann, and L. W. Molenkamp, Physical Review Letters 106, 2001, DOI 10.1103/PhysRevLett.106.107404
Kontakt
Prof. Dr. Laurens Molenkamp, Lehrstuhl für Experimentelle Physik III der Universität Würzburg, T (0931) 31-84925,
molenkamp(at)physik.uni-wuerzburg.de
