Ein aus Wolframdisulfid bestehender Wellenleiter wurde von den Ingenieuren der University of California in San Diego entwickelt und ist nur drei Atomschichten dünn und das dünnste optische Gerät der Welt! Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 12. AugustNatur-Nanotechnologie.

Der neue Wellenleiter hat eine Stärke von etwa 6 Angström (1 Angström = 10).^-10Meter), 10.000-mal dünner als eine typische Faser und etwa 500-mal dünner als ein optisches On-Chip-Gerät in einem integrierten photonischen Schaltkreis. Es besteht aus einer einzelnen Schicht Wolframdisulfid, die an einem Siliziumrahmen aufgehängt ist (eine Schicht aus Wolframatomen liegt zwischen zwei Schwefelatomen), und die einzelne Schicht bildet einen photonischen Kristall aus einer Reihe von Nanoporenmustern.

Das Besondere an diesem Einschichtkristall ist, dass er Elektron-Loch-Paare, sogenannte Exzitonen, trägt. Bei Raumtemperatur erzeugen diese Exzitonen eine starke optische Reaktion, so dass der Brechungsindex des Kristalls etwa viermal so groß ist wie der Brechungsindex der Luft an seiner Oberfläche. Im Gegensatz dazu weist ein anderes Material mit der gleichen Dicke keinen so hohen Brechungsindex auf. Während Licht durch den Kristall wandert, wird es im Inneren eingefangen und durch Totalreflexion entlang der Ebene geleitet.

Eine weitere Besonderheit ist die Wellenleiterführung von Licht im sichtbaren Spektrum. Die Wellenleitung wurde zuvor mit Graphen demonstriert, das ebenfalls atomar dünn ist, allerdings bei Infrarotwellenlängen. Das Team demonstrierte erstmals Wellenleitung im sichtbaren Bereich. In den Kristall geätzte Löcher in Nanogröße ermöglichen die Streuung eines Teils des Lichts senkrecht zur Ebene, sodass es beobachtet und untersucht werden kann. Diese Anordnung von Löchern erzeugt eine periodische Struktur, die den Kristall auch als Resonator fungiert.

Damit ist er auch der dünnste optische Resonator für sichtbares Licht, der jemals experimentell demonstriert wurde. Dieses System verstärkt nicht nur resonant die Licht-Materie-Wechselwirkung, sondern dient auch als Gitterkoppler zweiter Ordnung, um das Licht in den optischen Wellenleiter einzukoppeln.

Zur Herstellung des Wellenleiters verwendeten die Forscher fortschrittliche Mikro- und Nanofertigungstechniken. Eine besondere Herausforderung war die Erstellung der Struktur. Das Material ist atomar dünn, daher entwickeln Forscher ein Verfahren, um es an einem Siliziumrahmen aufzuhängen und ihm ein präzises Muster zu geben, ohne es zu zerbrechen.

Der Wolframdisulfid-Wellenleiter ist ein Machbarkeitsnachweis für die Verkleinerung optischer Geräte auf Größen, die um Größenordnungen kleiner sind als die heutiger Geräte. Dies könnte zur Entwicklung photonischer Chips mit höherer Dichte und höherer Kapazität führen.