Arsentrisulfid (As₂S₃), ein kristalliner Halbleiter, lässt sich mit einem einfachen Dauerstrichlaser buchstäblich im Nanometerbereich formen, ohne dass Reinräume oder komplexe Systeme erforderlich sind. Diese Eigenschaft ebnet den Weg für optische Technologien, die sehr einfach herzustellen sind, und könnte die aktuellen, auf Elektronik basierenden Technologien ersetzen.
Es wird möglich, das Material direkt ohne aufwändige Herstellungsschritte zu formen. So können Strukturen geschaffen werden, die Licht für die Telekommunikation leiten, beugende Elemente für Sensoren und Bildgebung oder holografische Muster für Sicherheitsanwendungen. Ein optischer Fingerabdruck kann auch als eindeutiges, schwer reproduzierbares Identifikationsmerkmal dienen.
Ein kontinuierlicher 532-nm-Laser hat mikroskopische Muster in ein As₂S₃-Stück geformt, darunter ein monochromes Porträt von Albert Einstein (Punkte mit einem Abstand von 700 nm) und ein einem QR-Code ähnliches Muster (Punkte mit einem Abstand von 600 nm).
Bildnachweis: XPANCEO
Im Nanometerbereich sind die Details von bemerkenswerter Feinheit. Die Forscher haben ein Einstein-Porträt mit Punkten im Abstand von 700 Nanometern geschrieben und sogar eine Auflösung von 50.000 Punkten pro Zoll (entspricht 500 Nanometern zwischen den Punkten) erreicht. Diese Muster, die aufgrund der Brechungsindexänderung einen starken Kontrast aufweisen, sind mit herkömmlichen optischen Methoden leicht lesbar.
Aber das Licht verändert nicht nur die optischen Eigenschaften des Kristalls; es bringt ihn auch physisch zum Schwellen. As₂S₃ kann um bis zu 5 % aufquellen, was die direkte Formung von Mikrolinsen und Gittern auf seiner Oberfläche ermöglicht. Diese Fähigkeit ist wertvoll für die Entwicklung von Wellenleitern mit großem Sichtfeld, die in Augmented-Reality-Brillen oder sogar intelligenten Kontaktlinsen eingesetzt werden können.
Der Schlüssel zu diesem Phänomen liegt im Brechungsindex, der die Fähigkeit eines Materials misst, Licht zu biegen. Unter Lichteinwirkung kann sich dieser Index ändern. Bei As₂S₃ ist die Änderung enorm (bis zu 0,3) und damit weit größer als bei anderen bekannten Materialien. Dieses Ergebnis wurde mit einem schwachen ultravioletten Licht erzielt, was das Verfahren sehr zugänglich macht.
Diese Entdeckungen könnten einen Wendepunkt in der Photonik markieren. Wie Valentyn Volkov, technischer Direktor des XPANCEO Research Center, erklärt, ist die Entdeckung neuer funktionaler Materialien der Motor photonischer Innovationen. Diese natürlichen Kristalle mit ihrer außergewöhnlichen Empfindlichkeit liefern die Grundbausteine für eine Technologie, die eher von Licht als von Elektrizität angetrieben wird.
Brechung und Photorefraktivität
Der Brechungsindex ist eine grundlegende Eigenschaft optischer Materialien: Er bestimmt die Lichtgeschwindigkeit im Medium und die Ablenkung der Lichtstrahlen. Je höher dieser Index, desto mehr wird das Licht verlangsamt und gebogen. In einigen Materialien kann das Licht selbst diesen Index verändern: das ist der photorefraktive Effekt. Dieser Effekt wird genutzt, um Hologramme oder optische Speichergeräte zu erzeugen.
Arsentrisulfid (As₂S₃) weist einen gigantischen photorefraktiven Effekt auf: Sein Index kann sich unter UV-Lichteinwirkung um bis zu 0,3 ändern. Das ist zehnmal mehr als bei klassischen photorefraktiven Materialien wie Lithiumniobat. Eine solche Amplitude ermöglicht das Gravieren stark kontrastreicher Muster mit einfachem Dauerstrichlicht, ohne teure gepulste Laser.
Diese Entdeckung eröffnet Wege für das Design optischer Komponenten. Durch lokale Änderung des Brechungsindex können direkt im Material Wellenleiter, Beugungsgitter oder Linsen erzeugt werden. Die Anwendungen reichen von der Telekommunikation über Sensoren bis hin zur erweiterten Realität.