Eine Materialbeschichtung, deren Lichtbrechungseigenschaft zwischen verschiedenen Zust?nden zielgenau hin und her geschaltet werden kann – das entwickelte ein interdisziplin?res Forschungsteam aus der Chemie und der Physik der Universit?t Jena. Das Team um Felix Schacher, Sarah Walden, Purushottam Poudel und Isabelle Staude kombinierte Polymere, die auf Licht reagieren, mit sogenannten Meta-Oberfl?chen. Damit erschufen sie neue optische Bauteile, die m?glicherweise in der Signalverarbeitung eingesetzt werden k?nnen. Ihre Ergebnisse ver?ffentlichten sie nun im Fachmagazin ?ACS Nano“.

Zwei etablierte Systeme ergeben zusammen etwas Neues

?Sowohl Meta-Oberfl?chen als auch durch Licht schaltbare Polymere sind im Prinzip seit Jahrzehnten bekannt“, erkl?rt Sarah Walden vom Institut für Festk?rperphysik. Sie erg?nzt: ?aber wir sind die ersten, die beides in dieser Form miteinander kombiniert haben, um daraus neue Bauteile für optische Anwendungen zu entwickeln.“ Meta-Oberfl?chen, das sind nanostrukturierte dünne Schichten, deren charakteristische Strukturgr??en kleiner sind als die Wellenl?nge des Lichts. Dadurch k?nnen die Eigenschaften von Licht und dessen Ausbreitung gezielt beeinflusst werden, was eine Vielzahl optischer Funktionen erm?glicht, die sonst etwa von Linsen, Polarisatoren oder Gittern übernommen werden. Schaltbare Polymere auf der anderen Seite sind Kunststoffe, deren Eigenschaften – wie zum Beispiel der Lichtbrechungsindex – zwischen verschiedenen Zust?nden wechseln k?nnen.

?Die Polymere, die wir genutzt haben, enthalten Farbstoff-Moleküle“, führt Felix Schacher vom Institut für Organische und Makromolekulare Chemie aus. ?Das bedeutet, sie absorbieren Licht einer bestimmten Wellenl?nge. Und wenn sie das tun, ?ndern sie ihre Struktur – und damit auch ihre Eigenschaften, wie in diesem Fall den Lichtbrechungsindex.“ Um dann den Farbstoff wieder in seine vorhergehende Struktur mit der entsprechenden Eigenschaft zurückzuschalten, braucht es Licht einer anderen Wellenl?nge. ?Das Besondere an unserem System ist nun“, erkl?rt die Physikerin Isabelle Staude, ?dass sich die ?nderungen des Lichtbrechungsindexes auf die optischen Eigenschaften der Meta-Oberfl?che auswirken, wenn diese mit einem solchen Polymer beschichtet wird.“ Die hierbei erzielten ?nderungen waren überraschend deutlich, auch im Vergleich zu bisher bekannten ?hnlichen Systemen. ?Dadurch, dass die Polymere je nach Farbstoff unterschiedliche Absorption zeigen, lassen sich verschiedene Effekte sehr gut getrennt voneinander ansteuern oder auch kombinieren“, fasst die Physikerin zusammen.

Ungew?hnliches physikalisches Verhalten

Neben diesem vielversprechenden Ergebnis machte das Team noch eine überraschende Entdeckung: ?In unserer Arbeit haben wir zwei unterschiedliche Farbstoffe separat genutzt, die wir jeweils auf eine Meta-Oberfl?che aufgebracht haben. So konnten wir diesen Effekt best?tigen“, führt Schacher weiter aus. ?Bei einer Mischung beider schaltbaren Polymere treten jedoch zus?tzliche Effekte auf“, berichtet er. ?Wir vermuten, dass die beiden unterschiedlichen Farbstoffmoleküle miteinander wechselwirken, aber genau sagen k?nnen wir es zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht.“ Hier seien noch weitere Untersuchungen n?tig, um dieses interessante Verhalten aufzukl?ren.

Grundlagenforschung mit Blick auf optische Künstliche Intelligenz

Auch wenn es bei diesen schaltbaren Oberfl?chen vor allem darum ging, das grundlegende Prinzip zu demonstrieren, gibt es einige Anwendungen, die sich die Forschungsgruppe perspektivisch vorstellen kann: ?Da diese Oberfl?chen durch Licht zwischen verschiedenen Eigenschaftszust?nden wechseln k?nnen, liegt Sensorik als Anwendungsgebiet natürlich nah“. Ebenso sei es vorstellbar, dass solche schaltbaren Oberfl?chen für die optische Datenverarbeitung verwendet würden. ?Es würde uns als Team natürlich sehr freuen, wenn diese Bauteile etwa auch für optische neuronale Netzwerke genutzt werden k?nnten, welche dann beispielsweise Bildinformationen so auswerten wie eine elektronische künstliche Intelligenz es jetzt schon kann“, so Schacher. ?Weil diese Art der Datenverarbeitung aber auf Licht statt auf Elektronik basiert, ist sie deutlich energieeffizienter und schneller als klassische computerbasierte KI.“