Mit winzigen Farbwandlern kleine laserbasierte Bauelemente realisieren
Im Lauf der Zeit sind Laser zur Alltäglichkeit geworden. Sie leisten uns in tausenden Anwendungsfällen in allen Bereichen der modernen Gesellschaft treue Dienste – in der Medizin ebenso wie bei der Strafverfolgung. Die integrierten Schaltungen von heute werden immer kompakter, was immer kleinere Bauteile zur Folge hat. Die Laserbearbeitung revolutioniert die Halbleiterfertigung und eröffnet kleineren und dünneren Technologien neue Wege. Und dank der teilweise im Rahmen des EU-finanzierten Projekts GrapheneCore3 unterstützten Forschung werden die Bauelemente nun noch viel kleiner werden. „In den rund 60 Jahren seit ihrer Erfindung haben die Laser unser Leben grundlegend verändert“, kommentiert Dr. Giulio Cerullo, Forscher des Bereichs nichtlineare Optik am Politechnikum Mailand, dem Projektpartner in Italien, in einer auf „EurekAlert!“ veröffentlichten Pressemitteilung.
Das Potenzial zweidimensionaler Materialien demonstrieren
Zusammen mit einem Wissenschaftsteam der Columbia-Universität in den Vereinigten Staaten erforschte Dr. Cerullo das zweidimensionale Material Molybdändisulfid (MoS2). Es gilt als ein vielversprechendes Material, das Graphen und andere Halbleiterbauelemente ersetzen könnte. Die Forschenden gingen der Frage nach, wie effektiv die aus weniger als einen Mikrometer dicken MoS2-Stapeln entwickelten Bauelemente Lichtfrequenzen bei Telekommunikationswellenlängen umwandeln, um verschiedene Farben zu erzeugen. Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal „Nature Photonics“ publiziert. Diese Arbeit bringt uns dem Ersatz der typischen Materialien, die gegenwärtig bei den abstimmbaren Lasern zum Einsatz kommen und eher in Millimetern und Zentimetern gemessen werden, einen Schritt näher. „Gegenwärtig ist die nichtlineare Optik eine makroskopische Welt, aber wir wollen sie mikroskopisch ausgestalten“, erklärt Dr. Chiara Trovatello, die vor kurzem ihre Physikpromotion bei Dr. Cerullo am Politechnikum Mailand abgeschlossen hat.
Laserbasierte Bauelemente auf mikroskopische Größe schrumpfen lassen
Einzelne MoS2-Schichten können zwar Lichtfrequenzen effizient umwandeln, sind aber zu dünn, um Schaltungskomponenten daraus zu bauen. Die Forschenden stellten die zu diesem Zweck erforderlichen 3R-MoS2-Kristalle her. Mit diesen wurde getestet, wie effizient Proben unterschiedlicher Dicke die Frequenz von Licht umwandeln. Die Ergebnisse waren von Anfang an überraschend: „In der Wissenschaft beginnt man nur selten ein Projekt, das am Ende besser funktioniert als erwartet – normalerweise ist genau das Gegenteil der Fall. Aber hier erlebten wir so einen ungewöhnlichen, magischen Fall“, berichtet James Schuck, Professor für Maschinenbau an der Columbia-Universität. „Ich beschäftige mich seit über dreißig Jahren mit nichtlinearer Optik. Forschung gelingt meist nur schrittweise und baut langsam auf dem vorher Erreichten auf. Es ist ziemlich selten, dass man etwas völlig Neues mit großem Potenzial realisiert“, merkte Dr. Cerullo an. „Ich habe das Gefühl, dass dieses neue Material die Spielregeln völlig verändern könnte.“ Damit Europa nicht die Graphen-Revolution verpasst, vereint GrapheneCore3 (Graphene Flagship Core Project 3) 160 akademische und industrielle Partner aus 23 Ländern. Das Ziel lautet, bis 2023 Graphen-Innovationen auf den Markt zu bringen. Das Projekt läuft im September 2023 aus. Weitere Informationen: GrapheneCore3-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
GrapheneCore3, Laser, laserbasiertes Bauelement, 2D, Molybdändisulfid, Graphen, 3R-MoS2, Licht, nichtlineare Optik
