72.000-mal effizienter: TU Graz gelingt Licht-Durchbruch

Gemeinsam mit Forschenden der Harvard University und der University of Texas at Austin gelang es, eine spezielle Halbleiterschicht mit einer sogenannten Metaoberfläche zu kombinieren. Das Ergebnis: Licht lässt sich laut den Forschenden rund 72.000-mal effizienter transformieren als mit bisher eingesetzten Materialien. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht.

Bisher waren große Strukturen notwendig

Licht spielt bereits heute eine entscheidende Rolle bei der Übertragung großer Datenmengen, beispielsweise in Glasfasernetzen. Für Anwendungen wie Quantenkommunikation, komplexe Rechenoperationen oder hochpräzise Messtechnik reicht die gewöhnliche lineare Ausbreitung von Licht allerdings nicht aus. Dafür wird eine sogenannte nichtlineare Polarisation benötigt. Vereinfacht gesagt ermöglicht sie Wechselwirkungen zwischen Lichtteilchen und damit Prozesse, die für solche Technologien entscheidend sind. Bislang werden dafür unter anderem kristalline Materialien wie Lithiumniobat verwendet. „Dabei werden aber recht große Volumen und viel Lichtenergie benötigt“, erklärt Marcus Ossiander vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz. Das erschwere vor allem die Miniaturisierung entsprechender Bauteile.

Idee eines TU-Graz-Forschers bringt Durchbruch

Eine wichtige Grundlage für die neue Technologie entwickelten Forschende in Texas. Sie stellten extrem dünne Halbleiterschichten aus Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid her, in denen Elektronen gezielt in ihrer Bewegung beeinflusst werden. Allerdings gab es ein Problem: Damit die besonderen Eigenschaften des Materials vollständig genutzt werden können, muss das Licht in einer bestimmten Richtung durch die Halbleiterschichten laufen. Für eine praktische Umsetzung fehlte bislang eine geeignete technische Lösung. Hier setzte die Idee von TU-Graz-Forscher Ossiander an. Eine Metaoberfläche mit einem präzisen Schachbrettmuster aus winzigen Titandioxid-Säulen wird direkt auf die Halbleiterschicht gesetzt. Sie lenkt das einfallende Licht in die benötigte Richtung. Gemeinsam mit Forschenden aus Harvard wurde das Konzept schließlich umgesetzt.

Minimale Neigung sorgt für enormen Effekt

Bei den Experimenten machten die Wissenschaftler noch eine überraschende Entdeckung. Trifft das Licht vollkommen gerade auf das Bauteil, heben sich die optischen Felder aufgrund der Symmetrie gegenseitig auf. Bereits eine minimale Neigung der Probe um lediglich 0,3 Grad reicht jedoch aus, um diese Symmetrie zu durchbrechen. Dadurch wird die besonders effiziente nichtlineare Polarisation möglich. „Diese um das 72.000-Fache effizientere Konvertierung des Lichts gelingt uns bei Wellenlängen, die für die Telekommunikation genutzt werden“, erklärt Ossiander.

Potenzial für Rechenzentren und Quantentechnik

Die Technologie könnte künftig deutlich kleinere und energiesparendere optische Bauteile ermöglichen. Interessant sei das unter anderem für die integrierte Photonik und die Übertragung großer Datenmengen innerhalb von Rechenzentren. Auch Anwendungen in der Quantentechnologie, Kryptographie und hochpräzisen Messtechnik sind denkbar. Gegenüber Technologien, die seit Jahrzehnten eingesetzt werden, spricht Ossiander von einem „enormen Sprung“. Die internationale Forschungsarbeit wurde 2026 unter dem Titel „Quantum-well metasurface for free-space-accessible enhanced nonlinear polarization“ in „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht.