Licht programmiert winziges optisches Bauteil um

Ein winziges optisches Bauteil, das sich mithilfe eines Lasers umprogrammieren lässt, könnte künftig anpassbare Komponenten für optisches Rechnen, Bildgebung und Telekommunikation ermöglichen. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) an der Australian National University hat dafür eine ultradünne Metaoberfläche mit Flüssigkristallen kombiniert. An der Arbeit beteiligt sind auch Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Mit Laserlicht konnten die Forschenden die Flüssigkristallmoleküle drehen und dadurch verändern, wie die Metaoberfläche mit Licht wechselwirkt.

Die meisten technischen Bauteile werden für eine bestimmte Aufgabe hergestellt. Soll sich ihre Funktion ändern, müssen in der Regel Komponenten ausgetauscht, Systeme neu verschaltet oder neue Bauteile gefertigt werden. Das gilt auch für die Informationsverarbeitung: Jedes Mal, wenn beispielsweise ein großes Sprachmodell wie ChatGPT oder Claude eine Anfrage verarbeitet, laufen zahlreiche elektrische Signale durch Computerchips und führen Rechenoperationen aus. Das benötigt Energie.

Forschende suchen deshalb nach schnelleren und potenziell energieeffizienteren Wegen, Informationen zu verarbeiten. Ein Ansatz besteht darin, einen Teil der elektrischen Signale durch Licht zu ersetzen. Das internationale Team von TMOS an der Australian National University, der Nottingham Trent University in Großbritannien und der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat hierfür eine ultradünne optische Oberfläche mit Flüssigkristallen kombiniert – einem Material, das auch in vielen elektronischen Displays eingesetzt wird.

Wird die Struktur mit einem Laser beleuchtet, drehen sich die Flüssigkristallmoleküle. Dadurch verändert sich die Wechselwirkung der Metaoberfläche mit Licht. Anders als bei einer statischen Metaoberfläche, deren Funktion nach der Herstellung weitgehend festgelegt ist, lässt sich die optische Antwort damit nachträglich einstellen.

Ein Straßensystem für Licht

Bei dem Bauteil handelt es sich um eine Metaoberfläche – ein dünnes Material, das mit Strukturen versehen ist, die kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares. Diese winzigen Strukturen sind so gestaltet, dass sie Eigenschaften des Lichts wie Farbe, Intensität und Ausbreitungsrichtung beeinflussen. Vereinfacht lässt sich eine Metaoberfläche als ein Miniatur-Straßensystem für Licht verstehen: Sie bestimmt, wohin sich Licht bewegen kann und was auf seinem Weg mit ihm geschieht.

Bei den meisten Metaoberflächen sind diese »Straßen« nach der Herstellung dauerhaft festgelegt. Um die untersuchte Metaoberfläche veränderbar zu machen, umgaben die Forschenden ihre winzigen Siliziumstrukturen mit Flüssigkristallen. Deren Moleküle können ihre Ausrichtung unter dem Einfluss äußerer Kräfte verändern.

In elektronischen Displays wird diese Bewegung normalerweise elektrisch und mithilfe von Elektroden gesteuert. Das Forschungsteam untersuchte stattdessen, ob Licht selbst die Moleküle drehen und damit die Funktion des Bauteils verändern kann. Trifft der Laser auf die Struktur, erzeugt das Licht ein winziges Drehmoment – ein sogenanntes optisches Drehmoment –, das die Flüssigkristallmoleküle ausrichtet. Dadurch verändern sich die optischen Bedingungen um die Siliziumstrukturen und somit die Antwort der Metaoberfläche. Bildlich gesprochen ordnet der Laser das Straßensystem vorübergehend neu.

Experimente, bei denen Flüssigkristalle mit Licht gesteuert werden, gibt es bereits seit Ende der 1990er-Jahre. Die dabei ausgelösten Veränderungen waren jedoch klein und schwer zu beobachten. Durch die Kombination mit einer resonanten Metaoberfläche wird der Effekt deutlich verstärkt und damit wesentlich leichter messbar.

Jenaer Expertise bei aktiven Metaoberflächen

An der Publikation sind mehrere Forschende der Universität Jena beteiligt. Erstautor Ziwei Yang führte die Arbeit im Rahmen seines Dual-Award-PhD im Internationalen Graduiertenkolleg »META-ACTIVE« durch, in welchem Promovierende sowohl einen Doktorgrad der Australian National University als auch der Universität Jena erwerben. Aus der Jenaer Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Isabelle Staude waren zudem Dr. Katsuya Tanaka und Muyi Yang an den experimentellen Arbeiten im Labor beteiligt.

Die Zusammenarbeit knüpft damit unmittelbar an die Forschung im Internationalen Graduiertenkolleg »META-ACTIVE« an, in dem die Universität Jena und die Australian National University gemeinsam programmierbare und aktive Metaoberflächen untersuchen, deren optische Eigenschaften sich nach der Herstellung gezielt verändern lassen.

Laser verändert die erzeugte Lichtfarbe

Zunächst zeigte das Team, dass der Laser die Resonanz der Metaoberfläche verändern kann – also die Wellenlänge, mit der sie besonders stark wechselwirkt. Resonanz lässt sich mit einer Schaukel vergleichen: Treffen die einzelnen Anschübe genau den natürlichen Rhythmus, wird die Bewegung besonders stark. Bei einer Metaoberfläche bestimmt die Resonanz entsprechend, auf welche Lichtwellenlängen das Bauteil besonders stark reagiert.

Besonders interessant wurde der Effekt bei nichtlinearer Optik. Dabei wechselwirkt sehr intensives Licht mit einem Material und löst Effekte aus, die unter gewöhnlichen Lichtbedingungen nicht auftreten. Das Team nutzte die Metaoberfläche, um unsichtbares Infrarotlicht durch sogenannte Erzeugung der dritten Harmonischen in sichtbares grün-gelbes Licht umzuwandeln.

Während der Laser die Flüssigkristalle drehte, verschob sich zugleich die Resonanz der Metaoberfläche. Abhängig von der verwendeten Wellenlänge ließ sich dadurch die erzeugte sichtbare Lichtmenge erhöhen oder verringern. Der Laser erfüllte damit zwei Aufgaben zugleich: Er erzeugte neues Licht und veränderte gleichzeitig die Art und Weise, wie das Bauteil dieses Licht erzeugt.

»Alle abstimmbaren Metaoberflächen verfolgen das Ziel, über statische Bauteile hinauszugehen. Wenn Licht auf den Flüssigkristall trifft, eröffnet sich die Möglichkeit, die Funktion auch nach der Herstellung noch anzupassen«, sagt Erstautor Ziwei Yang.

Mehr als ein optischer Schalter

Eine mögliche Anwendung liegt im optischen Rechnen, bei dem Licht Informationen transportieren und einen Teil der Berechnungen übernehmen könnte, die heute elektrische Signale ausführen. Auch künftige optische Computer würden weiterhin Strom für Laser und andere Komponenten benötigen. Wenn jedoch mehr Verarbeitungsschritte mit Licht erfolgen, könnten bestimmte Aufgaben schneller oder energieeffizienter werden.

Nach Einschätzung des Forschungsteams könnte die Technologie insbesondere für optische neuronale Netze interessant sein. Deren nichtlineare Schichten sind entscheidend dafür, komplexe Muster zu erkennen und Informationen zu verarbeiten. Derzeit werden solche nichtlinearen Funktionen überwiegend elektronisch gesteuert. Die Ergebnisse zeigen einen möglichen Weg, solche Funktionen stattdessen direkt mit Licht zu kontrollieren.

Das gleiche Prinzip könnte künftig auch für Bildgebung, Telekommunikation und Systeme genutzt werden, die Lichtstrahlen ohne bewegliche mechanische Bauteile lenken. Die Technologie befindet sich allerdings noch in einem frühen Stadium. Als nächsten Schritt wollen die Forschenden unter anderem die Laserleistung verringern, die zur Umprogrammierung des Bauteils erforderlich ist, und mit weiteren Experimenten und theoretischen Arbeiten prüfen, wie sich das Konzept in praktische Systeme übertragen lässt.