Es werde Licht im Computer

In unseren Laptops und Smartphones stecken Milliarden von ihnen: Transistoren, die Grundpfeiler der modernen Elektronik. Die winzigen Schalter übersetzen elektrische Spannung und Strom in Nullen und Einsen – die Binärsprache der digitalen Welt, mit der alle Rechenprozesse durchgeführt werden.

Doch diese Schalter haben eine fundamentale Schwäche: Sie funktionieren mit Elektronen. Diese interagieren mit dem Material, was sie zum einen bremst und zum anderen zu Energieverlusten in Form von Wärme führt.

Seit Jahrzehnten träumen Wissenschaftler:innen daher von einem anderen Weg: ein optischer Computer, der auf Licht anstelle von Elektronen setzt. Licht bewegt sich mit der höchsten Geschwindigkeit im Universum – und es interagiert kaum mit Materie. Es wäre also ideal für schnelle und energiearme Rechenprozesse.

Doch wie schaltet man mit Licht? Eine mögliche Antwort könnte in Polaritonen liegen – hybride Teilchen, die gleichzeitig aus Licht und aus Materie bestehen. Sie entstehen, wenn die beiden Komponenten so stark miteinander wechselwirken, dass sie praktisch miteinander verschmelzen und eine gemeinsame Identität annehmen.

Moritz Gittinger (links) und Daniel Timmer führten die Experimente im Labor durch. Foto: Moritz Gittinger

Forschende der Universität Oldenburg haben nun in einem neu entwickelten Material einen Effekt bei Polaritonen beobachtet, der sich mit extrem kurzen Lichtpulsen steuern lässt. Die Arbeit zeigt das große Potenzial von Polaritonen als ultraschnelle Lichtschalter – macht zugleich jedoch deutlich, dass dieses Vorhaben komplexer ist als bislang angenommen. Denn das Team entdeckte auch einen Prozess, der das Schalten um ein Vielfaches verzögert. Die Ergebnisse wurden vor Kurzem in der Fachzeitschrift ‚Nature Nanotechnology‘ veröffentlicht und gehen auf eine Zusammenarbeit mit der Universität Cambridge, dem Politecnico di Milano und der TU Berlin zurück.

Das Material, das die Forschenden entwickelt haben, besteht aus zwei Schichten: Eine dünne Halbleiterschicht aus Wolframdisulfid, gerade mal eine Atomlage dick. Unter normalen Umständen würde Licht hier fast ungestört hindurchgehen. An dieser Stelle kommt die zweite Schicht ins Spiel. Sie besteht aus Silber und ist mit feinen Schlitzen durchzogen, die etwa tausend Mal dünner sind als ein menschliches Haar. In diesem besonderen Konstrukt können unter den richtigen Bedingungen Polaritonen entstehen.

Trifft Licht in einem bestimmten Winkel auf die Schlitze, wird es in Form einer Welle entlang der Oberfläche geführt, ähnlich einer Wasserwelle. Diese Oberflächenwellen aus Licht werden auch als „Plasmonen“ bezeichnet. Gleichzeitig regt das Licht das Halbleitermaterial an: Elektronen werden von Atomen losgelöst und es entstehen sogenannte „Exzitonen“ – Paare aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Löchern. Nun beginnt ein ständiger Austausch von Energie zwischen Plasmonen und Exzitonen, die so zu Polaritonen verschmelzen.

Genau diesen Prozess des Energieaustausches wollten die Forschenden genauer untersuchen. Dafür setzten sie auf ein aufwendiges Messverfahren, bei dem zwei ultrakurze Laserpulse die Probe präzise anregen. Ein dritter extrem kurzer Laserpuls macht einen „Schnappschuss“ des Geschehens. Auf diese Weise lassen sich quantenphysikalische Prozesse als Film mit sehr kurzer Zeitauflösung aufzeichnen.

Die Wissenschaftler stellten dabei Erstaunliches fest: Das Laserlicht nimmt Einfluss auf den Energieaustausch zwischen Plasmonen und Exzitonen – und das wiederum verändert die optischen Eigenschaften des Materials deutlich. Durch die Anregung mit dem Laserpuls kann die Reflektivität der Probe um etwa 10 Prozent verändert werden. Der Effekt lässt sich innerhalb weniger Femtosekunden erzeugen und ist somit etwa 1.000 Mal schneller als die typischen Schaltvorgänge in einem elektronischen Transistor.

„Beide Materialien für sich würden keinen oder nur einen minimalen Schalteffekt zeigen“, erklärt Professor Christoph Lienau, der die Forschungsgruppe in Oldenburg leitet. „Aber beide zusammen erzeugen einen großen Effekt.“

Allerdings beobachteten die Forschenden auch einen unerwünschten Nebeneffekt. Für ein schnelles Schalten muss das vom Laser veränderte System auch rasch wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehren – bestimmt von der Lebensdauer der Polaritonen. Doch die Messungen zeigen: Ein Teil der Polaritonen zerfällt innerhalb kürzester Zeit in so genannte „Dunkelzustände“, die nicht mit den Laserlicht wechselwirken. In diesen Dunkelzuständen verbleibt das Material etwa hundertmal länger als der eigentliche Schaltvorgang und versetzt den Schalter in eine Art Tiefschlaf. „Die Dunkelzustände speichern also die Energie länger im System, was man für schnelles Schalten natürlich gerne vermeiden würde“, sagt Daniel Timmer, Erstautor der Studie.

In Zukunft wollen die Forschenden noch mehr über die Wechselwirkungen in Polaritonen erfahren – und weiter erforschen, wie man diese zum Schalten mittels Licht nutzen könnte. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung wäre das Unterdrücken der Dunkelzustände.

Die Wissenschaftler:innen arbeiten hierfür an mehreren Fronten. Zum einen entwickeln sie das bestehende Probendesign weiter. Zum anderen verfolgen sie einen anderen Ansatz: Die Mikrokavitäten. Hier wird die Halbleiterprobe nicht mit einer Silberschicht verbunden, sondern zwischen zwei Spiegel gesetzt. „Das könnte die Lebensdauer der Polaritonen deutlich verlängern, Dunkelzustände unterdrücken und die Empfindlichkeit des Schaltprozesses deutlich erhöhen“, so Christoph Lienau.

Originalpublikation:

Timmer, D., Gittinger, M., Quenzel, T. et al.

Ultrafast transition from coherent to incoherent polariton nonlinearities in a hybrid 1L-WS2/plasmon structure

Nat. Nanotechnol. 21, 216–222 (2026)

doi.org/10.1038/s41565-025-02054-4