Optische Schaltkreise auf Polymerbasis

Interdisziplinäres Forschungsteam der Universität Jena entwickelt Meta-Oberfläche, die mit Licht geschaltet werden kann.

Eine Materialbeschichtung, deren Lichtbrechungseigenschaft zwischen verschiedenen Zuständen zielgenau hin und her geschaltet werden kann – das entwickelte ein interdisziplinäres Forschungsteam aus der Chemie und der Physik der Universität Jena. Das Team um Felix Schacher, Sarah Walden, Purushottam Poudel und Isabelle Staude kombinierte Polymere, die auf Licht reagieren, mit sogenannten Meta-Oberflächen. Damit erschufen sie neue optische Bauteile, die möglicherweise in der Signalverarbeitung eingesetzt werden können. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie nun im Fachmagazin „ACS Nano“.

Zwei etablierte Systeme ergeben zusammen etwas Neues

„Sowohl Meta-Oberflächen als auch durch Licht schaltbare Polymere sind im Prinzip seit Jahrzehnten bekannt“, erklärt Sarah Walden vom Institut für Festkörperphysik. Sie ergänzt: „aber wir sind die ersten, die beides in dieser Form miteinander kombiniert haben, um daraus neue Bauteile für optische Anwendungen zu entwickeln.“ Meta-Oberflächen, das sind nanostrukturierte dünne Schichten, deren charakteristische Strukturgrößen kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Dadurch können die Eigenschaften von Licht und dessen Ausbreitung gezielt beeinflusst werden, was eine Vielzahl optischer Funktionen ermöglicht, die sonst etwa von Linsen, Polarisatoren oder Gittern übernommen werden. Schaltbare Polymere auf der anderen Seite sind Kunststoffe, deren Eigenschaften – wie zum Beispiel der Lichtbrechungsindex – zwischen verschiedenen Zuständen wechseln können.

„Die Polymere, die wir genutzt haben, enthalten Farbstoff-Moleküle“, führt Felix Schacher vom Institut für Organische und Makromolekulare Chemie aus. „Das bedeutet, sie absorbieren Licht einer bestimmten Wellenlänge. Und wenn sie das tun, ändern sie ihre Struktur – und damit auch ihre Eigenschaften, wie in diesem Fall den Lichtbrechungsindex.“ Um dann den Farbstoff wieder in seine vorhergehende Struktur mit der entsprechenden Eigenschaft zurückzuschalten, braucht es Licht einer anderen Wellenlänge. „Das Besondere an unserem System ist nun“, erklärt die Physikerin Isabelle Staude, „dass sich die Änderungen des Lichtbrechungsindexes auf die optischen Eigenschaften der Meta-Oberfläche auswirken, wenn diese mit einem solchen Polymer beschichtet wird.“ Die hierbei erzielten Änderungen waren überraschend deutlich, auch im Vergleich zu bisher bekannten ähnlichen Systemen. „Dadurch, dass die Polymere je nach Farbstoff unterschiedliche Absorption zeigen, lassen sich verschiedene Effekte sehr gut getrennt voneinander ansteuern oder auch kombinieren“, fasst die Physikerin zusammen.

Ungewöhnliches physikalisches Verhalten

Neben diesem vielversprechenden Ergebnis machte das Team noch eine überraschende Entdeckung: „In unserer Arbeit haben wir zwei unterschiedliche Farbstoffe separat genutzt, die wir jeweils auf eine Meta-Oberfläche aufgebracht haben. So konnten wir diesen Effekt bestätigen“, führt Schacher weiter aus. „Bei einer Mischung beider schaltbaren Polymere treten jedoch zusätzliche Effekte auf“, berichtet er. „Wir vermuten, dass die beiden unterschiedlichen Farbstoffmoleküle miteinander wechselwirken, aber genau sagen können wir es zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht.“ Hier seien noch weitere Untersuchungen nötig, um dieses interessante Verhalten aufzuklären.

Grundlagenforschung mit Blick auf optische Künstliche Intelligenz

Auch wenn es bei diesen schaltbaren Oberflächen vor allem darum ging, das grundlegende Prinzip zu demonstrieren, gibt es einige Anwendungen, die sich die Forschungsgruppe perspektivisch vorstellen kann: „Da diese Oberflächen durch Licht zwischen verschiedenen Eigenschaftszuständen wechseln können, liegt Sensorik als Anwendungsgebiet natürlich nah“. Ebenso sei es vorstellbar, dass solche schaltbaren Oberflächen für die optische Datenverarbeitung verwendet würden. „Es würde uns als Team natürlich sehr freuen, wenn diese Bauteile etwa auch für optische neuronale Netzwerke genutzt werden könnten, welche dann beispielsweise Bildinformationen so auswerten wie eine elektronische künstliche Intelligenz es jetzt schon kann“, so Schacher. „Weil diese Art der Datenverarbeitung aber auf Licht statt auf Elektronik basiert, ist sie deutlich energieeffizienter und schneller als klassische computerbasierte KI.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Felix Schacher
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Lessingstraße 8
07743 Jena
E-Mail: felix.schacher@uni-jena.de
Telefon: 03641 / 9-48250

Prof. Dr. Isabelle Staude
Institut für Festkörperphysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtzweg 3
07743 Jena
E-Mail: isabelle.staude@uni-jena.de
Telefon: 03641 / 9-47330

Originalpublikation:

Sarah L. Walden, Purushottam Poudel, Chengjun Zou, Katsuya Tanaka, Pallabi Paul, Adriana Szeghalmi, Thomas Siefke, Thomas Pertsch, Felix H. Schacher, Isabelle Staude: „Two-Color Spatially Resolved Tuning of Polymer-Coated Metasurfaces“, ACS Nano, 2024, DOI: 10.1021/acsnano.3c11760

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