Am Institut für Materialphysik der Universität Münster wird derzeit intensiv an der Glasbildung in Materialien geforscht, die ihre innere Struktur schnell umwandeln können. Diese faszinierenden Materialien verändern nicht nur ihre optischen Eigenschaften, sondern bieten auch viele Anwendungen in der photonischen Technologie. Doktorand Sebastian Walfort und das Team von Prof. Dr. Martin Salinga haben die Phasen untersucht, die das chemische Element Antimon während seiner Umwandlung durchläuft. Die Ergebnisse dieser Forschung könnten revolutionäre Auswirkungen auf photonische Wellenleiter haben.
Bei Raumtemperatur ordnen sich die Atome im Antimon in einem stabilen kristallinen Gitter an. Durch das Aufschmelzen des Festkörpers kann jedoch Unordnung erzeugt werden. Wenn das Material schnell abgekühlt wird, wird die Rückkehr zur kristallinen Anordnung verhindert, was zur Bildung eines ungeordneten Festkörpers, also Glas, führt. In Zusammenarbeit mit einem Team von IBM Research zeigten Salinga und seine Kollegen, dass sich gegensätzliche Zustände in elektronischen Bauelementen aus reinem Antimon innerhalb weniger Nanosekunden realisieren lassen.
Forschung und Technologie
Eine der bemerkenswertesten Methoden zur Untersuchung dieser Umwandlungsdynamik sind Experimente mit ultrakurzen Laserpulsen. Diese ermöglichten eine Analyse im Femtosekunden-Bereich, wobei Molekulardynamiksimulationen wichtige Schlussfolgerungen über den Wechsel zwischen geordneten und ungeordneten festen Zuständen lieferten. Das Material erlebt dabei einen Übergang in einen metallischen Zustand vor dem Schmelzen und wird dann wieder halbleitend, wenn die angeregten Elektronen ihre Energie auf die atomare Struktur übertragen.
Der optische Kontrast zwischen dem kristallinen Zustand und dem Glaszustand entsteht schließlich durch starkes Abkühlen in der unterkühlten Flüssigkeit. Dabei nimmt die lokale atomare Struktur ein Verzerrungsmotiv an, das die Anordnung benachbarter Atome im kristallinen Zustand charakterisiert. Diese grundlegenden Erkenntnisse verbessern das Verständnis dieser faszinierenden Materialklasse und eröffnen neue Einsatzmöglichkeiten in photonischen Anwendungen. Die Originalveröffentlichung kann in der Fachzeitschrift *Advanced Materials* nachgelesen werden, wobei der DOI 10.1002/adma.202414687 lautet.
Photonische Anwendungen
Ein weiterer bedeutender Bereich der photonischen Forschung sind die photonischen Hohlkern-Kristallfasern (HC-PCFs), die am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts im Fokus stehen. Diese speziellen Glasfasern verfügen über Luftkanäle, die mit Gas gefüllt werden können, was ihrer Leistung zugutekommt. Die Experimente zeigen, dass HC-PCFs viele Anwendungen ermöglichen, unter anderem die Erzeugung von Femtosekunden-Laserpulsen mit hoher Wiederholrate.
Ein aktuelles Fortschrittsbeispiel ist die Entwicklung einer Table-Top-Quelle für ultrakurze Pulse, die eine spektrale Helligkeit aufweist, die um zwei bis fünf Größenordnungen höher ist als die von vielen Synchrotronanlagen. Ultrakurze Laserpulse haben bereits zu bedeutenden Entdeckungen und technologischen Fortschritten sowohl in der Grundlagenforschung als auch in industriellen Anwendungen geführt.
Die Herausforderungen bei der Erweiterung der Pulswiederholrate in den MHz-Bereich sind erheblich, werden jedoch durch die hohe Verstärkung und den niedrigen optischen Verlust von HC-PCFs gemindert, was hocheffiziente Pulskompressionssysteme ermöglicht.
Zusätzlich zeigen experimentelle Ergebnisse, dass HC-PCFs erfolgreich mit Krypton und Neon gefüllt wurden und mit Laserpulsen von nur einigen 100 Femtosekunden betrieben werden können. In diesen Experimenten wurden beeindruckende 3,8 fs kurze Pulse mit einer Wellenlänge von 1030 nm generiert.
Die Lichtausbreitung in photonischen Kristallen ist ein weiterer vielversprechender Bereich der Forschung. Diese Technologie steuert die Lichtausbreitung durch eine periodische Strukturierung dielektrischer Materialien, wodurch bestimmte Spektralbereiche vollständig unterdrückt werden können, was für Farbfilter von Bedeutung ist. Auch die Dispersions- und Beugungseigenschaften werden durch die Strukturierung beeinflusst. Neuartige photonische Materialien haben zudem vielfältige Anwendungspotenziale, und die präzise kontrollierte Strukturierung im Subwellenlängenbereich ist entscheidend, wofür Elektronenstrahllithographie überwiegend genutzt wird.