Optische Transistoren und mikroskopische Bandfilter gelten als die große Herausforderung der Festkörperphysik. Jetzt haben kanadische Forscher ihre Kollegen mit einer neuen Struktur eines photonischen Kristalls überrascht.
Zwei Physikern der University of Toronto ist es gelungen, der althergebrachten Disziplin
der Optik eine neue Wendung zu geben. Die beiden haben, wie sie im US-Wissenschaftsmagazin
"Science" berichten, die Blaupause einer neuartigen, gewundenen Kristallstruktur
entwickelt. Der Einsatz von optischen Schaltkreisen könnte damit näher gerückt
sein.
Der von Sajeev John und Ovidiu Toader konzipierte photonische Kristall verfügt über eine dreidimensionale Bandlücke. Damit kann Licht bestimmter Wellenlängen - ähnlich einem optischen Käfig - eingefangen werden. Besonders in optischen Schaltkreisen, die als große Hoffnungsträger für die Computer und die Telekommunikationsgeräte der Zukunft gelten, ist dies von Bedeutung.
"Auf dem Gebiet von Kristallen mit einer dreidimensionalen photonischen Bandlücke hat sich in den vergangenen zehn Jahren nicht viel getan", sagt John. Zwar seien zuletzt verschiedene Kristallstrukturen angedacht worden, doch deren Herstellung habe sich als derart komplex und zeitaufwendig erwiesen, dass sie kommerziell unbrauchbar waren. "Unser Entwurf kann dagegen billig in großen Mengen umgesetzt werden", sagt der Physiker. "Und genau das ist sein großer Vorteil."
John und Toader sind überzeugt, mit ihren Skizzen die Kollegen in Erstaunen zu versetzen. "Die Leute haben bislang gedacht, für einen breiten Wellenlängenbereich müssten die Kristalle der Struktur von Diamanten ähneln", sagt John. "Doch Diamanten-Gitter sind extrem schwer herzustellen." Die Kanadier setzen deshalb auf eine Art tetragonales Gitter. Im Gegensatz zum Kubus sind dabei die Kanten etwas nach oben gewunden. Eine kleine, relativ einfach herzustellende Spirale entsteht.
In den vergangenen Jahren haben Universitäten und Institute weltweit viel Energie in
photonische Forschung gesteckt. Denn, da sind sich
die Experten einig: Die Zukunft gehört dem Licht. Wo heute Elektronen in Silizium-Halbleiter
komplizierte Rechenvorgänge erledigen, sollen demnächst schnelle Photonen die
Arbeit übernehmen.
Doch während Licht mit Hilfe von Glasfaserkabeln bereits gut transportiert werden kann, bereitet die restliche Infrastruktur noch Probleme. Effektive Verzweigungen und Verlängerungen von Wellenleitern stecken in den Kinderschuhen; an optische Transistoren, ähnlich den grundlegenden Bausteinen der heutigen Computer, ist noch nicht zu denken.
Photonische Strukturen arbeiten dabei ähnlich wie ihr althergebrachtes Halbleiter-Pendant. Während bei Silizium auf Grund der Anordnung der einzelnen Atom so genannte Energiebänder entstehen können, die letztlich den Strom leiten, ist in optischen Strukturen der jeweilige Brechungsindex entscheidend. Durch periodische Anordnung können verbotene Energiebereiche für eine oder mehrere Ausbreitungsrichtungen entstehen. Photonen, deren Energie innerhalb dieser photonischen Bandlücke liegt, haben keine Chance, sich im Medium auszubreiten.