Forscher der École Polytechnique, des Collège de France und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben erstmals experimentell einen rein optischen photonischen Zeitkristall erzeugt — ein Material, dessen optisches Verhalten sich zeitlich schnell und wiederholt verändert. Der in Nature berichtete Erfolg wurde durch die superstrahlende Terahertz-Quelle TELBE des HZDR ermöglicht.
Herkömmliche photonische Kristalle sind nanostrukturierte Materialien mit sich im Raum wiederholenden optischen Mustern, mit denen sich ausgewählte Lichtwellenlängen blockieren, leiten oder verstärken lassen — ähnlich wie Halbleiter Elektronen steuern. Das neue Bauelement überträgt diese Idee vom Raum auf die Zeit: Seine Reflektivität und Resonanzfrequenz lassen sich dynamisch auf Pikosekunden-Zeitskalen verändern, nahe der Schwingungsperiode des Lichts selbst.
Dafür baute das Team ein plasmonisches Metamaterial: mikrometergroße goldene, krenelierte Strukturen über einer Isolierschicht und einem Indium-Antimon-Halbleiter. Das Gold bildet winzige Hohlräume, die Licht einschließen, während Oberflächenplasmonen — kollektive Elektronenwellen im Halbleiter — die eingefangenen Photonen aufnehmen und aufrechterhalten. Die Bestrahlung des Bauelements mit intensiven Terahertz-Pulsen von TELBE veränderte dessen optische Eigenschaften sowohl stark als auch schnell — eine Kombination, die zuvor ein großes technisches Hindernis darstellte.
Ein am Collège de France entwickeltes theoretisches Modell reproduzierte die Experimente und zeigte, dass die zeitliche Modulation des Materials die Photonendissipation halbierte — den Anteil der Photonen, die durch die Oberfläche des Metamaterials verloren gehen.
Das Terahertz-Band liegt an der Grenze zwischen Elektronik und Photonik und ist rund 1.000-mal schneller als die in elektronischen Bauteilen genutzten Frequenzen, bleibt technologisch aber unterentwickelt. Das Team sagt, der Ansatz könne zu ultraschnellen optischen Computern, fortschrittlicher Telekommunikation, neuen Terahertz-Lasern und medizinischen Bildgebungsverfahren führen — sowie zu Licht, dessen „Farbe" und Intensität sich nahezu augenblicklich einstellen lassen.
Die Forscher wollen nun die Dissipation weiter senken und mehr Photonen einfangen, mit dem Ziel, eine ausreichend starke Verstärkung für eine neue Generation hochgradig anpassbarer Laser zu erreichen.
