Licht formen wie nie zuvor – mit photonischen Zeitkristallen
Einem internationalen Forschungsteam der École polytechnique, des Collège de France und des HZDR ist eine Weltpremiere gelungen: die experimentelle Umsetzung eines vollständig optischen photonischen Zeitkristalls. Dabei handelt es sich um ein Material, dessen optische Eigenschaften sich auf extrem kurzen Zeitskalen stark und periodisch verändern lassen. Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Arbeit nutzt die Hochleistungs-Terahertzquelle TELBE des HZDR, um einen neuen Bereich der Licht-Materie-Wechselwirkung zu erschließen. Die Entdeckung ebnet den Weg für ultraschnelle optische Rechner, neuartige Telekommunikationssysteme und langfristig für eine neue Art von Terahertzlasern.
Die gezielte Beeinflussung der Eigenschaften von Licht bei seiner Wechselwirkung mit Materialien bildet die Grundlage zahlreicher wissenschaftlicher Entdeckungen und technologischer Entwicklungen – von Glasfasern in der Telekommunikation über Laser als Lichtquellen bis hin zu Sensoren für Chemie und Biologie.
An der École polytechnique haben Forschende nun die Grundlagen für eine Technologie geschaffen, die bislang kaum erschlossen ist: Prof. Yannis Laplace und sein Team am Laboratoire des Solides Irradiés (LSI) entwickelten neuartige photonische Bauelemente zur Steuerung von Licht im Terahertz-(THz)-Frequenzbereich. Die Forschung im Terahertzbereich schreitet rasant voran. Seine extrem hohen Frequenzen – rund tausendmal höher als die heutiger elektronischer Schaltungen – könnten völlig neue Möglichkeiten eröffnen, Materie zu beobachten und gezielt zu beeinflussen. „Der Terahertzbereich bildet die Grenze zwischen elektronischen und photonischen Technologien“, erklärt Laplace. „Er bietet enormes Potential für Wissenschaft und Gesellschaft, ist technologisch jedoch noch deutlich weniger entwickelt als die Elektronik oder die klassische Photonik. Photonische Kristalle könnten helfen, diese Lücke zu schließen.“
Der Durchbruch: von der räumlichen zur zeitlichen Kontrolle
Photonische Kristalle sind nanostrukturierte Materialien, deren periodische Gitterstruktur den Fluss von Lichtquanten, den sogenannten Photonen, steuert. Durch eine gezielte Gestaltung von Brechungsindex und Materialgeometrie können sie bestimmte Wellenlängen blockieren, lenken oder verstärken – ähnlich wie Halbleiter den Fluss von Elektronen kontrollieren.
In früheren Arbeiten hatte das Forschungsteam bereits gezeigt, dass sich die lichtsteuernden Eigenschaften photonischer Kristalle durch Temperatur oder Magnetfelder verändern lassen. Diese Kontrolle war jedoch zeitlich statisch. Die neue Arbeit stellt nun die ersten photonischen Zeitkristalle vor, bei denen sich die optischen Eigenschaften des Materials – etwa Reflexionsvermögen oder Resonanzfrequenz – dynamisch auf Pikosekunden-Zeitskalen verändern, also in einem Rhythmus, der mit der Schwingungsperiode des Lichts selbst vergleichbar ist. „Indem wir photonische Kristalle von der räumlichen in die zeitliche Dimension erweitern, eröffnen wir völlig neue Möglichkeiten, Licht zu kontrollieren. Zugleich schaffen wir die Grundlage für die Verstärkung von Licht und damit für neuartige Laser. Das könnte optische Technologien im Terahertzbereich und darüber hinaus grundlegend verändern“, erklärt Tingwen Guo, Doktorand an der École polytechnique und Erstautor der Veröffentlichung.
Eine außergewöhnliche technische Herausforderung
Um die Eigenschaften von Licht zeitlich verändern zu können, mussten die Forschenden eine einzigartige und äußerst komplexe Struktur entwickeln. Gemeinsam mit dem Laboratoire Albert Fert der Thales-Gruppe sowie dem Labor für die Physik von Grenzflächen (PICM) der École polytechnique fertigten sie einen speziellen photonischen Kristall – ein sogenanntes plasmonisches Metamaterial. Es besteht aus mikrometergroßen goldenen Kammstrukturen, unter denen sich zunächst eine Isolatorschicht und schließlich eine Halbleiterschicht aus einer Indium-Antimon-Verbindung befinden. Die Goldstrukturen wirken als Resonanzkörper, in denen Licht zwischen Gold- und Halbleiterschicht eingeschlossen wird. Wird die Oberfläche des Halbleiters angeregt, entstehen sogenannte Oberflächenplasmonen – kollektive Schwingungen der Elektronen, die Licht einfangen und seine Schwingungen aufrechterhalten können.
Mithilfe intensiver und in ihrer Frequenz abstimmbarer Terahertz-Laserpulse aus der TELBE-Quelle am ELBE-Beschleuniger des HZDR gelang es dem Team, die optischen Eigenschaften des Materials – insbesondere sein Reflexionsvermögen – innerhalb extrem kurzer Zeiträume sehr stark zu verändern. Eine so starke und zugleich extrem schnelle Modulation experimentell umzusetzen, war eine große Herausforderung. Die optischen Eigenschaften des Materials mussten sich dabei so stark verändern, als würde ein Objekt plötzlich Licht in einer völlig anderen Farbe aussenden – und das innerhalb von Pikosekunden, also Billionstel Sekunden. „Die einzigartige Fähigkeit von TELBE, intensive und phasenstabile Terahertzpulse zu erzeugen, war entscheidend“, betont Dr. Jan-Christoph Deinert, Koordinator der TELBE-Anlage. „Ohne diese Infrastruktur wäre die kohärente ultraschnelle Modulation, die für den Betrieb eines photonischen Zeitkristalls erforderlich ist, nicht möglich gewesen.“
Über die experimentellen Ergebnisse hinaus bestätigte ein theoretisches Modell von Dr. Marco Schiró vom Collège de France und seinem Team die Beobachtungen und erklärte das Verhalten der Photonen innerhalb der Struktur. Die zeitliche Modulation verringerte außerdem die Verluste der Photonen im Metamaterial deutlich: Der Anteil des Lichts, der nicht reflektiert wird, sondern das Material durchdringt, halbierte sich. „Unsere Theorie reproduziert nicht nur die experimentellen Ergebnisse, sondern liefert zugleich die Grundlage für zukünftige Entdeckungen in diesem System“, sagt Schiró.
Neue Perspektiven für optische Technologien
Als Nächstes wollen die Forschenden die Verluste der Photonen in den Zeitkristallen weiter verringern und dadurch die Zahl der eingeschlossenen Photonen erhöhen. Bei ausreichend starker Verstärkung könnten daraus völlig neuartige Laser entstehen. Der Durchbruch eröffnet zugleich neue Möglichkeiten, Licht auf extrem kurzen Zeitskalen zu modulieren. Dadurch rücken Anwendungen in der medizinischen Bildgebung und Kommunikation ebenso in greifbare Nähe wie optische Systeme, deren Eigenschaften – etwa Frequenz oder Intensität – sich nahezu in Echtzeit an unterschiedliche Anforderungen anpassen lassen.
Publikation:
T. Guo, J. Sueiro, G. M. Andolina, A. Levchuk, S. Ponzoni, R. Grasset, D. Monthe, I. Aupiais, D. Daineka, J. Briatico, T. V. A. G de Oliveira, A. Ponomaryov, A. Arshad, A. Karimbana-Kandy, G. L. Prajapati, I. Ilyakov, J.-C. Deinert, S. F. Maehrlein, L. Perfetti, M. Schiró, Y. Laplace, Plasmonic metamaterial time crystal, in Nature (2026) (DOI: 10.1038/s41586-026-10825-9)
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Mit ihrem vielfältigen Studienangebot – vom Bachelor of Science über den Ingenieurstudiengang der École polytechnique und Masterstudiengänge in Wissenschaft und Technologie bis hin zu Executive-Master-Programmen und berufsbegleitender Weiterbildung – bildet die École polytechnique Führungspersönlichkeiten mit einer breit angelegten wissenschaftlichen Ausbildung aus. Studierende erhalten dabei Einblicke sowohl in die Forschung als auch in die Industrie.
Mit ihren 23 Laboren, darunter 22 gemeinsame Forschungseinheiten mit dem französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS), arbeitet die École polytechnique an den Grenzen des Wissens und widmet sich zentralen interdisziplinären Herausforderungen in Wissenschaft, Technologie und Gesellschaft. Die École polytechnique ist Gründungsmitglied des Institut Polytechnique de Paris.
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Originalpublikation:
T. Guo, J. Sueiro, G. M. Andolina, A. Levchuk, S. Ponzoni, R. Grasset, D. Monthe, I. Aupiais, D. Daineka, J. Briatico, T. V. A. G de Oliveira, A. Ponomaryov, A. Arshad, A. Karimbana-Kandy, G. L. Prajapati, I. Ilyakov, J.-C. Deinert, S. F. Maehrlein, L. Perfetti, M. Schiró, Y. Laplace, Plasmonic metamaterial time crystal, in Nature (2026) (DOI: 10.1038/s41586-026-10825-9)
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