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F.A.Z. v. 1.9.1999

Schaltkreise für Licht statt Strom

Forscher setzen auf künstliche Opale / Flüssigkristalle zum Auffüllen der Hohlräume / Von Rainer Scharf

In der Telekommunikation überträgt man Informationen über große Entfernungen häufig mit Licht. Anschließend werden die optischen Signale elektronisch verstärkt und verarbeitet. Seit einigen Jahren verfolgen Wissenschaftler und Ingenieure das Ziel, die im Licht gespeicherte Information direkt auf optischem Wege zu verarbeiten. Optische Schaltkreise, in denen das Licht die Rolle des elektrischen Stroms übernimmt, sollen die Lichtsignale übermitteln und gezielt verändern. Noch sucht man nach den dafür geeigneten Materialien. Künstlich hergestellte opalartige Substanzen aus Silizium, die mit einem Flüssigkristall durchtränkt sind, scheinen diese Anforderungen zu erfüllen, wie jetzt Berechnungen von Wissenschaftlern in Kanada zeigen.

Schon die in der Natur vorkommenden Opale beeinflussen das Licht auf bemerkenswerte Weise. Ihre brillanten Farben werden durch eine ungewöhnliche Kristallstruktur hervorgerufen. Opale bestehen aus zahllosen winzigen Quarzkügelchen, die etwa so groß sind wie die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. Die Kügelchen sind dicht an dicht in regelmäßiger Anordnung gestapelt. Fällt Licht auf den Opal, so wird es von dieser Kristallstruktur je nach Wellenlänge in unterschiedliche Richtungen gebeugt und dabei in seine Farben zerlegt.

Nun haben Kurt Busch und Sajeev John von der Universität Toronto berechnet, daß solche mikroskopisch feinen Kristallstrukturen das Licht nicht nur ablenken, sondern seine Ausbreitung für bestimmte Wellenlängen sogar gänzlich unterdrücken können ("Physical Review Letters" Bd. 83, S. 967). Das Licht dieser Wellenlängen dringt dann nicht mehr in den Kristall ein. Darüber hinaus würden Atome, die solches Licht normalerweise abstrahlen, im Kristall an der Emission gehindert. Diese Kristallstrukturen hätten ähnliche Eigenschaften wie das Halbleitermaterial der Mikrochips, in dem sich Elektronen mit bestimmter Energie nicht bewegen können.

Die natürlich vorkommenden Opale besitzen allerdings noch nicht die ideale Struktur. Die beiden Wissenschaftler schlagen deshalb vor, sogenannte inverse Opale zu untersuchen, die gewissermaßen das Negativ eines Opals sind. Um diese herzustellen, füllt man zunächst im Opal die Zwischenräume der Quarzkügelchen mit Kohlenstoff oder dem Halbleiter Silizium aus. Anschließend wird der Quarz auf chemischem Wege entfernt. Doch die ersten inversen Opale, die im vergangenen Jahr von mehreren Arbeitsgruppen hergestellt wurden, können die Ausbreitung des Lichts nicht gänzlich unterdrücken. Ihre Struktur und ihre Zusammensetzung erfüllen noch nicht exakt die Voraussetzungen, unter denen das Licht gefangen bleibt.

Wie dies erreicht werden könnte, zeigen die Berechnungen der Wissenschaftler für einen inversen Opal aus Silizium, der zu 75 Prozent aus Hohlräumen besteht. Die Hohlräume muß man etwa zur Hälfte mit einem geeigneten Flüssigkristall füllen, dessen Lichtdurchlässigkeit durch elektrische Felder verändert werden kann. Flüssigkristalle sind Flüssigkeiten, deren Moleküle mehr oder weniger starr ausgerichtet sind. Ein elektrisches Feld beeinflußt die Ausrichtung der Moleküle und dadurch auch die optischen Eigenschaften. Auf diese Weise ließe sich elektrisch steuern, ob und für welche Wellenlängen oder Ausbreitungsrichtungen des Lichtes der inverse Opal durchlässig ist.

Mit entsprechend feinen Drähten könnte man mikroskopisch kleinen Bereichen des Kristalls die gewünschten optischen Eigenschaften geben. Denkbar wäre etwa, optische Leiterbahnen für bestimmte Wellenlängen freizuschalten und bei Bedarf wieder zu schließen. Darüber hinaus könnten durch gezielte Verunreinigung des Kristalls mikroskopisch kleine Laser und ändere optische Bauelemente eingefügt werden. Ein inverser Opal, auf diese Weise zum integrierten optischen Schaltkreis umgestaltet, ließe sich bei Bedarf mit Hilfe elektrischer Signale sogar neu konfigurieren. 
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