Rot wird nicht Grün und infrarotes Licht nicht plötzlich sichtbar. Denn Licht ändert seine Wellenlänge nicht einfach so. Einem internationalen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, optische Fasern so zu funktionalisieren, dass sie unsichtbares Infrarot-Licht in rotes Licht mittels 2D-Materalien verwandeln. Diese Spezialfasern, entwickelt im Sonderforschungsbereich NOA (Nonlinear Optics down to Atomic scales) der Friedrich-Schiller-Universität Jena gemeinsam mit Partnern am Fraunhofer IOF, Leibniz-IPHT sowie an den Universitäten in Sydney und Adelaide, Australien, könnten künftig als Miniatur-Lichtkonverter nutzbar sein. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics.
 
Computer, Smartphones oder Superrechenzentren werden immer leistungsfähiger. Unvorstellbare Datenmengen werden dabei verarbeitet und in immer kürzerer Zeit um die Welt transportiert. Negativer Effekt: Auch der Energieverbrauch der Chips, die dafür nötige Rechenleistungen vollbringen, wächst. Ein großer Teil dieses Energiebedarfs entsteht für die Bewegung von Informationen mittels Elektronen. Ein energiesparen­derer Datentransport als mit Elektronen könnte dabei helfen, die Akkulaufzeit eines Handys zu verlängern.
 
Um diesem Ziel näher zu kommen, sind Forschende auf der Suche nach Alternativen: Sie setzen dabei auf Photonen als Medium – auch für den Datentransport – und auf Lichtleiter aus Glas. Die Lichtleitfasern wurden von den Forschenden speziell konstruiert und „aufgerüstet“, um neue Funktionen übernehmen zu können. Hierzu kombinierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler optische Glasfasern mit 2D-Materialien, wie Molybdän-Disulfat, das als Schmiermittel in Motorölen verwendet wird und nur aus einer Lage von Atomen besteht.
 
„Das kristalline 2D-Material konnte in einem ausgeklügelten Prozess auf die Glasfaser aufgebracht werden. Mit den so funktionalisierten Fasern können wir beispielsweise optische Frequenzverdopplungen realisieren, so dass Licht seine Wellenlänge halbieren und seine Farbe verändern kann. So wird zum Beispiel aus rotem Licht blaues Licht oder aus Infrarot wird Rot generiert“, erklärt Prof. Dr. Markus Schmidt, Leiter der Abteilung Faserphotonik am Leibniz-IPHT.
 
Dafür mussten die Forschenden die Fasern aber nicht nur mit 2D-Materialien veredeln, sondern auch speziell formen. Dabei griffen sie auf Fasern zurück, die vom Team um Prof. Dr. Markus Schmidt am Leibniz-IPHT und Prof. Dr. Heike Heidepriem-Ebendorff an der Universität Adelaide entwickelt wurden. „Das besondere dieser Fasern ist, dass ihr Faserkernbereich nicht vollständig von einem äußeren Mantelbereich umgeben ist“, erläutert Prof. Dr. Markus Schmidt. Diese, wie ein hohles „C“ geformte Faser ermöglicht es, dass das Licht an einer frei zugänglichen Oberfläche geführt wird, was die Licht-Materie-Wechselwirkung, das heißt die Reaktion der Lichtteilchen mit dem 2D-Material, deutlich verstärkt.
 
Damit sind die Forschenden die ersten weltweit, denen es gelungen ist, optische Fasern dergestalt zu funktionalisieren, dass sie in Zukunft beispielsweise als nichtlineare Lichtkonverter auf Basis von 2D-Materialien nutzbar sein können. „Denkbar sind darüber hinaus auch Anwendungen im Bereich der schnellen Lichtmodulation und damit Einsatzgebiete in der Lasermaterialbearbeitung oder Mikroskopie und Spektroskopie“, so Prof. Dr. Markus Schmidt.
 
Wissenschaftliche Veröffentlichung
 
Gia Quyet Ngo et al., Nature Photonics, 2022, https://doi.org/10.1038/s41566-022-01067-y
 
Die vollständige Pressemitteilung der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist hier zu finden.
 
Im Bild:
Forschung an optischen Fasern, die durch 2D-Materialien funktionalisiert werden können.
©Jens Meyer/Universität Jena