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Schwarzer Phosphor manipuliert Licht

Ultradünnes Material erlaubt schnelle und maßgeschneiderte Polarisation

Polarisation
Schwarzer Phosphor kann auf kleinsten Raum die Polarisation von Licht manipulieren und ist dabei durch elektrische Signale steuerbar. © Caltech

Nützlich für Telekommunikation und Displays: Eine nur drei Atomlagen dünne Schicht schwarzen Phosphors erweist sich als schneller und gut kontrollierbarer Manipulator von Licht. Denn die Lichtpolarisation durch das wie ein Cordstoff geriffelte Halbleiter-Material kann elektronisch gesteuert werden, wie ein Experiment belegt. Weil das Material Millionen Mal schneller reagiert als ein LCD-Display und 20-fach kleinere Pixel erlaubt, eröffnet dies neue Möglichkeiten für Bildschirme, aber auch die optische Telekommunikation.

Die Schwingungsrichtung des Lichts – seine Polarisation – ist eine für viele optischen Anwendungen essenzielle Eigenschaft. Sie ist die Basis von Quantenübertragungen durch verschränkte Photonen, aber auch von LCD-Displays, Hologramm-Videos, vielen optischen Sensoren und der klassischen Datenübertragung durch optische Leiter. Bisher wird die Polarisation der dafür eingesetzten Photonen meist statisch durch spezielle Filter oder Nanostrukturen erzeugt.

Was bisher jedoch fehlt, sind Materialien, die eine schnelle, dynamische Anpassung der Polarisation erlauben. „Eine elektronisch rekonfigurierbare Polarisation ist nur sehr eingeschränkt möglich“, erklären Souvik Biswas vom California Institute of Technology und seine Kollegen. Das Problem: Die bisher dafür einsatzbaren Technologien auf Basis von Flüssigkristallen oder Lithium-Niobat sind sehr sperrig und daher schwer in photonische Plattformen zu integrieren – sie sind schlicht zu groß.

Rippen wie ein Cordstoff

Doch Biswas und sein Team haben nun ein polarisierendes Material entdeckt, das dynamische Schaltbarkeit mit einer geringen Größe verbindet: schwarzer Phosphor. Dabei handelt es sich um eine Phosphorvariante mit spezieller Atomkonfiguration. Die Phosphoratome sind im Kristallgitter des Elements so angeordnet, dass sie geriffelte Lagen bilden. „Diese winzigen Strukturen sind es, die die Polarisation bewirken“, erklärt Teamleiter Harry Atwater vom Caltech.

Trifft Licht auf die Rippen des schwarzen Phosphors, wird es abhängig von seinem Einfallswinkel und seiner Polarisation unterschiedlich gut reflektiert oder aber absorbiert. „Wenn die Polarisation des Lichts beispielsweise entlang der Rippen ausgerichtet ist, reagiert das Material anders als wenn die Polarisation senkrecht dazu läuft“, so Atwater. In Tests wirkte eine nur drei Atomlagen dicke Schicht des schwarzen Phosphors dadurch wie ein effektivier Polfilter.

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Polarisationsverhalten ist elektrisch schaltbar

Das Entscheidende jedoch: Weil der schwarze Phosphor ein Halbleiter ist, lässt sich sein Verhalten durch elektrische Signale beeinflussen und verändern. Im Experiment konnte das Forschungsteam die Polarisation von Licht dadurch gezielt steuern – und dies über einen breiten Spektralbereich hinweg, der bis ins Infrarot reicht. „Das macht den dreilagigen schwarzen Phosphor besonders interessant für die Polarisations-Konversion in Telekommunikations-Frequenzen“, erklären die Wissenschaftler. Dies könnte dazu beitragen, die Bandbreite optischer Datenübertragungen noch weiter zu erhöhen.

Ein weitere Vorteil: Der schwarze Phosphor lässt sich erheblich schneller und präziser steuern als beispielsweise LCD-Kristalle. Der dynamische Nano-Polarisator auf Phosphorbasis reagiert nach Angaben von Biswas und seinen Kollegen rund eine Million Mal schneller. Wegen seiner geringen Größe könnte er zudem selbst in hochgradig miniaturisierten optischen Geräten eingesetzt werden.

Neue Anwendungen

„Unsere Ergebnisse repräsentieren damit einen Weg zu einer aktiven Kontrolle der optischen Polarisation im Nanomaßstab“, konstatieren die Forscher. Neben der Telekommunikation sehen sie mögliche Anwendungen des schwarzen Phosphors auch bei selektiven Photosensoren und großflächigen Dünnschicht-Polfiltern oder auf Polarisation beruhenden Displays. (Science, 2021; doi: 10.1126/science.abj7053)

Quelle: California Institute of Technology

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