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Ähnlich wie eine Antenne mit Radiowellen wechselwirkt, interagiert Licht mit metallischen Nanostrukturen. Das Wissen über den Einfluss der Struktur auf die Feldschwingung liefert daher reichhaltige Informationen zu deren physikalischen Eigen- schaften. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) untersucht die Veränderungen der Feldschwingungen, die auftreten, wenn Licht mit Indiumzinnoxid (ITO)-Nanokristallen interagiert. Dadurch lässt sich die Zeitabhängigkeit der charakteristischen Wechselwirkung zwischen Licht und den Nanokristallen besser verstehen.
In der optischen Kommunikation ist es entscheidend, Licht präzise und mit hoher Geschwindigkeit zu steuern. So lassen sich Daten in Zukunft noch schneller und energieeffizienter übertragen. Ein wichtiger Baustein dafür sind optische Schalter, die Lichtblitze gezielt ein- oder ausschalten können.
Damit diese Technologie möglichst effektiv funktioniert und nicht durch Schaltzeiten ausgebremst wird, müssen die Schalter nahezu verzögerungsfrei reagieren. Die Schalter sollten zudem eine möglichst hohe Modulationstiefe aufweisen. Darunter versteht man den Unterschied der Helligkeit des transmittierten Lichts im „Ein”- und im „Aus”-Zustand. Weiterhin muss ein anwendbarer Schalter bei jeder Verwendung das gleiche vorhersehbare Verhalten zeigen.
ITO-Nanokristalle zeigen schaltbares optisches Verhalten
ITO-Nanokristalle weisen genau diese Eigenschaften auf. In einem kooperativen Forschungsprojekt unter Beteilung des MPL und des Politecnico di Torino untersuchten Wissenschaftler*innen erstmals mit einer feldaufgelösten Technik die Wechselwirkung zwischen Licht (in Form kurzer Laserimpulse) und ITO-Nanokristallen. „Wir haben beobachtet, dass die Wechselwirkung zwischen Licht und Nanokristallen so schnell abläuft, dass wir ihre Wirkung bereits zwischen einzelnen Zyklen der oszillierenden Lichtwelle beobachten können“, sagt Dr. Andreas Herbst, Erstautor der Studie und Postdoktorand in Dr. Hanieh Fattahis Forschungsgruppe ›Femtosekunden-Feldoskopie‹ am MPL. „Dabei wird das Ende des Impulses stärker beeinflusst als der Anfang.“
Zudem untersuchten die Forscher*innen, wie das Material bei zunehmender Lichtintensität transparenter wird. Dieser Effekt kann als Umschalten zwischen „Ein“ bei hoher Intensität und „Aus“ bei niedrigerer Intensität interpretiert werden und macht das Material für diese Anwendung geeignet.
Feldoskopie erlaubt direkten Blick auf elektrische Lichtfelder
Die ITO-Nanokristalle besitzen einen Durchmesser von 15 nm. Dabei sind sie im Vergleich zur Wellenlänge des verwendeten Lichts von etwa 2.000 nm sehr klein. Werden die Elektronen auf der Kristalloberfläche mit einer Lichtwelle einer bestimmten Frequenz angeregt, beginnen sie entsprechend zu schwingen. Die schwingenden Elektronen (lokalisiertes Oberflächenplasmon) koppeln zurück zu der Lichtwelle, die sie anregt, so wie eine Antenne eine einfallende Radiowelle verzerrt. Das Material wird angeregt und für das Licht der entsprechenden Wellenlängen weniger transparent.
Mit einer Feldoskopie-Messung kann der Einfluss der Nanokristalle auf die Lichtwelle sichtbar gemacht werden. Die elektrische Feldschwingung eines kurzen Laserimpulses wird direkt gemessen, um Rückschlüsse auf die optischen Eigenschaften einer Probe zu ziehen. So können die Forscher*innen die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf Zeitskalen untersuchen, die kürzer sind als die Periode der verwendeten optischen Wellen.
Starke Lichtfelder verändern das Schaltverhalten
Die ITO Nanokristalle werden bei höherer Intensität transparenter, was als "Ein"-Zustand interpretiert werden kann. Für einen bestimmten Bereich an optischen Intensitäten kann dieser Effekt umgekehrt werden, sodass die Transmission in ihren ursprünglichen „Aus” Zustand zurückkehrt und der Schalter wiederverwendet werden kann. Dies funktioniert bis zu einem bestimmten Schwellenwert; wenn das Licht zu stark ist, kehrt der Schalter nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurück und bleibt dauerhaft auf „Ein” geschaltet. Mithilfe der Feldoskopie wurden diese Effekte auf einer Femtosekunden-Zeitskala gemessen. Dies verdeutlicht die materialbedingten Grenzen für diese Anwendung, die bei zukünftigen Experimenten berücksichtigt werden müssen.
Diese Studie liefert zum einen wertvolle Erkenntnisse darüber, wie sich ITO-Nanokristalle im Zusammenhang mit optischen Schaltvorgängen verhalten. Sie zeigt außerdem, wie viel Wissen über feste Proben durch die direkte Messung der Feldschwingungen gewonnen werden kann. Das unterstreicht die Vielseitigkeit der Feldoskopie und ihre Anwendbarkeit auf feste Proben.
Dr. Hanieh Fattahi
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Leiterin der Forschungsgruppe ›Femtosekunden-Feldoskopie‹
www.mpl.mpg.de / hanieh.fattahi@mpl.mpg.de
A.Herbst, A.Srivastava, K.Scheffter, et al. “Ultrafast Nonlinear
Dynamics of Indium Tin Oxide Nanocrystals Probed via Fieldoscopy.” Adv. Sci.13, no. 10 (2026): e16818.
DOI: doi.org/10.1002/advs.202516818
Die optische Transparenz von ITO-Nanokristallen lässt sich mithilfe kurzer Lase- rimpulse gezielt ve ...
Copyright: Soledad Cook-Ordonez
Rasterelektronenmikroskopbild der ITO Nanokristalle. Sie haben einen Durchmes- ser von ca. 15 nm und ...
Copyright: MPL, Eduard Butzen
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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