Beschichtung Jenaer Forscher entwickeln optische Schaltkreise auf Kunststoffbasis

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Mithilfe von Licht können neuartige polymerbasierte Schaltkreise angesteuert werden, die an der Friedrich-Schiller-Universtität Jena entwickelt wurden.

Eine Materialbeschichtung, deren Lichtbrechungseigenschaft zwischen verschiedenen Zuständen zielgenau hin und her geschaltet werden kann, entwickelte ein interdisziplinäres Forschungsteam aus der Chemie und der Physik der Universität Jena. Das Team kombinierte dazu Polymere – also Kunststoffe – die auf Licht reagieren mit sogenannten Metaoberflächen. Damit erschufen sie neue optische Bauteile, die möglicherweise in der Signalverarbeitung eingesetzt werden können.

Forscher machen aus zwei bekannten Systemen ein völlig Neues

„Sowohl Metaoberflächen als auch durch Licht schaltbare Polymere sind im Prinzip seit Jahrzehnten bekannt“, erklärt Teammitglied Sarah Walden vom Institut für Festkörperphysik. Aber die Jenaer seien die ersten, die beides in dieser Form miteinander kombiniert haben, um daraus neue Bauteile für optische Anwendungen zu entwickeln. Metaoberflächen, erklärt sie weiter, sind nanostrukturierte dünne Schichten, deren charakteristische Strukturgrößen kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Dadurch könnten die Eigenschaften von Licht und dessen Ausbreitung gezielt beeinflusst werden, was viele optische Funktionen ermögliche, die sonst etwa nur von Linsen, Polarisatoren oder Gittern übernommen werden könnten. Schaltbare Polymere auf der anderen Seite sind Kunststoffe, deren Eigenschaften (etwa der Lichtbrechungsindex) zwischen verschiedenen Zuständen wechseln können.

Verschiedene Lichtwellenlängen schalten an oder aus

„Die Polymere, die wir genutzt haben, enthalten Farbstoffmoleküle“, führt Felix Schacher vom Institut für Organische und Makromolekulare Chemie aus. Das bedeutet, sie absorbieren Licht einer bestimmten Wellenlänge. Und wenn sie das tun, ändern sie ihre Struktur und damit auch ihre Eigenschaften, wie in diesem Fall eben den Lichtbrechungsindex. Um dann den Farbstoff wieder in seine vorhergehende Struktur mit der entsprechenden Eigenschaft zurückzuschalten, braucht es Licht einer anderen Wellenlänge. „Das Besondere an unserem System ist nun, dass sich die Änderungen des Lichtbrechungsindexes auf die optischen Eigenschaften der Metaoberfläche auswirken, wenn diese mit einem solchen Polymer beschichtet wird“, erklärt die Physikerin Isabelle Staude. Die hierbei erzielten Änderungen seien überraschend deutlich, was auch im Vergleich zu bisher bekannten ähnlichen Systemen der Fall sei. Dadurch, dass die Polymere je nach Farbstoff unterschiedliche Absorption zeigen, lassen sich verschiedene Effekte sehr gut getrennt voneinander ansteuern oder auch kombinieren.

Neben diesem Ergebnis machte das Team noch eine überraschende Entdeckung. Denn es hat dabei zwei unterschiedliche Farbstoffe separat genutzt, die jeweils auf eine Metaoberfläche appliziert wurden. So konnten die Experten diesen Effekt bestätigen. Bei einer Mischung beider schaltbaren Polymere treten jedoch zusätzliche Effekte auf. Das Team vermutet angesichts der Entdeckung, dass die beiden unterschiedlichen Farbstoffmoleküle miteinander wechselwirken, doch in dieser Hinsicht seien noch weitere Untersuchungen nötig, um dieses Verhalten aufzuklären.

Der Schritt zu einer optischen künstlichen Intelligenz?

Auch wenn es bei diesen schaltbaren Oberflächen vor allem darum ging, das grundlegende Prinzip zu demonstrieren, gibt es einige Anwendungen, die sich die Forschungsgruppe perspektivisch vorstellen kann. Denn weil diese Oberflächen durch Licht zwischen verschiedenen Eigenschaftszuständen wechseln können, liegt es nahe, sie für neuartige Sensoren zu nutzen. Ebenso sei es vorstellbar, dass solche schaltbaren Oberflächen für die optische Datenverarbeitung verwendbar seien. Erfreulich wäre es auch, wenn diese Bauteile etwa für optische neuronale Netzwerke genutzt werden könnten, welche dann beispielsweise Bildinformationen so auswerten wie eine elektronische künstliche Intelligenz es jetzt schon kann. Und da diese Art der Datenverarbeitung auf Licht statt auf Elektronik basiert, ist sie deutlich energieeffizienter und schneller als klassische computerbasierte KI-Systeme.

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