Lichtschalter aus Graphen für ultraschnelle Kommunikation

Mikroskopisch kleine optische Modulatoren aus Graphen könnten für schnellere Informationsübertragung sorgen

Optischer Modulator aus Graphen
Optischer Modulator aus Graphen

Berkeley (USA) - Graphen, eine zweidimensionale Schicht aus Kohlenstoffatomen, hat seit seiner Entdeckung 2004 große Beachtung gefunden. Grund dafür sind seine besonderen elektrischen und optischen Eigenschaften. Da Licht sehr stark an die Kohlenstoffatome koppelt, ist die Beobachtung einer einzigen Monolage durch ein Lichtmikroskop sogar mit dem bloßen Auge möglich. Eine Forschergruppe um Xiang Zhang von der University of California hat eine mikroskopisch kleine Anordnung entwickelt, die Licht ultraschnell an- und ausschaltet. Schnelle Lichtschalter - optische Modulatoren genannt - werden in der Informationstechnik verwendet, um Datenpakete in Form von Pulsen zu versenden. Je schneller die Datenpulse ausgesendet werden, desto mehr Information lässt sich übermitteln. Graphen-basierte optische Modulatoren könnten in Zukunft extrem kompakte und zehnmal schnellere Schalter ermöglichen als bisher.

In ihren Experimenten legten die Wissenschaftler eine Spannung an das Graphen an und veränderten dadurch dessen Ferminiveau. Das Ferminiveau ist charakteristisch für die Dichte der Elektronen und bestimmt somit, ob Licht absorbiert oder transmittiert wird. Legten die Physiker eine negative Spannung an, so verringerte sich die Elektronendichte und das Licht konnte ungehindert das Graphen durchqueren - es waren kaum noch Elektronen vorhanden, die das Licht absorbieren konnten. Das Licht war dann angeschaltet. Auch bei bestimmten positiven Spannungen verhält sich das Graphen durchsichtig, da die Elektronendichte dann zu hoch ist, um Licht zu absorbieren. Zwischen diesen beiden Zuständen von zu niedriger und zu hoher Elektronendichte fanden Zhang und seine Kollegen einen recht kleinen Bereich, in dem die Elektronen Photonen absorbierten und somit das Licht ausschalteten. Dadurch konnten sie sehr schnell zwischen "Licht an" und "Licht aus" umschalten.

Graphen-basierte Modulatoren ermöglichen nicht nur eine schnellere Datenverarbeitung, sondern können auch größere Datenmengen in einem Puls versenden. Denn Graphen kann ein breites Spektrum an Licht absorbiere, das sich vom ultravioletten bis in den infraroten Bereich über tausende von Nanometern erstreckt. Dies ermöglicht einen weitaus größeren Datentransport verglichen mit heutigen Modulatoren, deren Bandbreite auf etwa zehn Nanometer beschränkt ist. Weiterhin ist Graphen gut geeignet um extrem kleine Strukturen zu erzeugen. Der von den Wissenschaftlern um Zhang entwickelte Modulator hat eine Größe von lediglich 25 Quadratmikrometern und ist damit etwa 400 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars. Außerdem ist Graphen sehr kostengünstig. "Das Graphit in einem Bleistift liefert genug Graphen um eine Milliarde solcher optischen Modulatoren herzustellen", kommentiert Ming Liu, wissenschaftliche Mitarbeiterin von Zhang.

Graphen ist das dünnste und robusteste kristalline Material, das bisher bekannt ist. Es kann wie Gummi gedehnt werden und ist ein exzellenter elektrischer Leiter, wodurch es besonders interessant für elektronische Anwendungen ist. Letztes Jahr erhielten Andre Geim und Konstantin Novoselov den Nobelpreis für Physik für ihre Untersuchungen zu Graphen und für die erstmalige Herstellung dieser stabilen zweidimensionalen Struktur.