Active Phase and Amplitude Modulation in Perovskite Polaritonic Waveguides

Moderne Computer verlassen sich darauf, dass Elektrizität Informationen bewegt, aber der schnellste und effizienteste Weg, Daten zu bewegen, ist tatsächlich das Licht. Dieses Feld, bekannt als Photonik, zielt darauf ab, Schaltkreise zu bauen, in denen Lichtstrahlen wie elektrische Leitungen wirken, die Informationen mit unglaublicher Geschwindigkeit und ohne die Hitze transportieren, die elektronische Chips verlangsamt. Es ist jedoch einfach, Licht über einen passiven Pfad zu leiten, aber das Licht auf Befehl in seinem Verhalten zu ändern, ist schwierig. Um nützliche optische Computer oder fortschrittliche Sensoren zu bauen, benötigen Ingenieure Materialien, die Licht ein- und ausschalten oder dessen Zeitverhalten verschieben können, und das alles in einem Raum, der so klein wie ein Sandkorn ist. Die Herausforderung bestand darin, ein Material zu finden, das dies stark bewirken kann, ohne zu viel des Lichts zu absorbieren oder enorme Mengen an Energie zu benötigen.

Ein Forschungsteam hat nun einen neuen Weg zum Kontrollieren von Licht unter Verwendung einer speziellen Art von Kristall namens Halid-Perowskit demonstriert. In ihrer Arbeit, die in einer Studie über integrierte photonische Technologien veröffentlicht wurde, schufen sie winzige Kanäle, oder Wellenleiter, aus diesem Material und zeigten, dass sie Elektrizität nutzen konnten, um die Art und Weise zu verändern, wie Licht durch sie fließt. Der Schlüssel zu ihrem Erfolg liegt in einem Phänomen namens Exzitonen-Polariton. Wenn Licht in diesen spezifischen Kristall eintritt, prallt es nicht einfach nur ab; es koppelt mit den Elektronen innerhalb des Materials und bildet ein Hybridpartikel. Dieses neue Partikel wirkt wie eine Mischung aus einem Lichtstrahl und einer Materiewelle und erbt dabei die Geschwindigkeit des Lichts, besitzt aber auch die Fähigkeit, stark mit seiner Umgebung zu interagieren. Durch Erhitzen eines kleinen Abschnitts des Kristalls mit einem winzigen elektrischen Heizer konnten die Forscher eine strukturelle Änderung im Material auslösen. Diese Änderung verschiebt die Energie der Hybridpartikel, wodurch es dem Team ermöglicht wurde, die Lichtwelle entweder zu verzögern oder sie je nach gewählter Lichtfarbe vollständig zu blockieren.

Das von ihnen gebaute Gerät ist im Wesentlichen ein Y-förmiger Kanal, der in eine dünne Schicht des Perowskit-Materials geschnitten wurde. Licht tritt auf einer Seite ein und teilt sich in zwei Pfade auf. Neben einem dieser Pfade platzierten die Forscher einen mikroskopischen Heizer aus Metall. Wenn sie einen kleinen elektrischen Strom durch diesen Heizer leiteten, erwärmten sie den Perowskit-Kristall gerade so weit, dass sich seine interne Struktur änderte. Dieses Material durchläuft eine spezifische Transformation, wenn es eine kritische Temperatur erreicht, indem es von einer Kristallanordnung zu einer anderen wechselt. Dieser Wechsel verschiebt das Energieniveau, bei dem Licht und Materie am stärksten interagieren. Da das durch den Wellenleiter wandernde Licht so empfindlich auf dieses Energieniveau reagiert, verursacht die winzige Temperaturänderung einen dramatischen Effekt auf den Lichtstrahl.

Die Forscher fanden heraus, dass sie das Licht auf zwei verschiedene Arten kontrollieren konnten, indem sie einfach die Farbe oder Energie des einfallenden Lichts wählten. Wenn sie Licht mit einer niedrigeren Energie verwendeten, fungierte das Gerät als Phasenverschieber. In diesem Modus blockierte der Heizer das Licht nicht, sondern verlangsamte es nur gerade so weit, dass sich sein Timing verschob. Sie maßen, dass eine sehr geringe Menge an Leistung, etwa 0,2 Milliwatt über eine Distanz von einem Millimeter, ausreichte, um die Lichtwelle um eine halbe Zyklusphase zu verschieben. Diese Effizienz ist etwa zehnmal besser als das, was derzeit mit siliziumbasierten Geräten ähnlicher Größe erreicht wird, die normalerweise viel mehr Energie benötigen, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.

Als sie zu Licht mit einer etwas höheren Energie wechselten, das näher an der natürlichen Resonanz des Materials lag, verhielt sich das Gerät anders. In diesem Zustand interagiert das Licht stärker mit den Elektronen des Kristalls. Wenn der Heizer eingeschaltet wurde, verursachte diese starke Wechselwirkung, dass das Licht absorbiert wurde, was das Signal effektiv ausschaltete. Das Gerät fungierte als Schalter und reduzierte die Intensität des Lichts um ein Dezibel pro Mikrometer des erhitzten Materials. Das bedeutet, dass sie mit nur 20 Milliwatt Leistung das Licht in einem Arm des Kanals vollständig blockieren konnten, während der andere Arm unbeeinflusst blieb. Diese Fähigkeit, zwischen dem Verschieben des Licht-Timings und dem Ein- und Ausschalten des Lichts zu wechseln, unter Verwendung derselben physischen Struktur, ist ein bedeutender Fortschritt.

Die Studie bestätigt, dass diese hybriden Licht-Materie-Partikel über lange Distanzen innerhalb des Kristalls geleitet werden können und dabei mehr als 300 Mikrometer reisen können, ohne zu verschwinden. Diese lange Reiseleistung ist entscheidend, da sie es ermöglicht, mehrere Komponenten, wie Splitter und Schalter, auf demselben winzigen Chip unterzubringen. Die Forscher verifizierten auch, dass die Erwärmung hochgradig lokalisiert war; der Temperaturanstieg war strikt auf den Arm des Kanals neben dem Heizer begrenzt, wodurch der benachbarte Arm völlig unberührt blieb. Diese Präzision stellt sicher, dass das Gerät skaliert werden kann, um komplexe Schaltkreise zu schaffen, in denen viele Schalter nebeneinander arbeiten, ohne sich gegenseitig zu stören.

Indem sie demonstrierten, dass eine einfache strukturelle Änderung in einem Perowskit-Kristall das Licht so effektiv kontrollieren kann, eröffnet diese Arbeit einen Weg zu kompakteren und energieeffizienteren optischen Schaltkreisen. Die Forscher zeigten, dass die Reaktion des Materials nicht auf eine einzige Funktion beschränkt ist, sondern durch Anpassung der Lichtenergie auf verschiedene Aufgaben abgestimmt werden kann. Diese Flexibilität legt nahe, dass zukünftige optische Computer mit kleineren, schnelleren und vielseitigeren Komponenten gebaut werden könnten, als dies mit heutiger Technologie möglich ist. Die Ergebnisse liefern einen klaren Beweis dafür, dass exzitonische Materialien als aktives Herzstück der nächsten Generation photonischer Geräte dienen können und so die Lücke zwischen dem Bedarf an Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung und den Einschränkungen aktueller elektronischer Systeme schließen.