Physik24.08.2017

Freiburger Physiker entschlüsseln die Eigenschaften ungeordneter optischer Halbleitermaterialien


Forschern um Prof. Frank Scheffold und Dr. Luis Salvador Froufe-Pérez ist es gelungen, die gesamten optischen Eigenschaften sogenannter hyperuniformen Materialien zu entschlüsseln und systematisch einzuordnen. Die so gewonnenen Erkenntnisse schaffen eine Basis für die Entwicklung von optischen Halbleitern. Aufgrund der höheren Geschwindigkeit könnten sie dereinst in vielen Bereichen die Elektronik ablösen.

Die Forscher der Universität Freiburg in Zusammenarbeit mit Kollegen in San Sebastian (Spanien) und Erlangen (Deutschland) fanden mit Hilfe von Computersimulationen heraus, dass je nach Stärke der lokalen Ordnung und Wellenlänge (Farbe) des Lichts völlig unterschiedliche optische Eigenschaften zu Tage treten können, von transparent zu weiss und vollständig reflektierend. Die so gewonnenen Erkenntnisse schaffen eine Basis für das Design und die Entwicklung moderner, amorpher optischer Materialien basierend auf dem Konzept der Hyperuniformität.

Wie ein Spiegelei: Aussehen ändert sich je nach Struktur
Nichtmetallische Festköper und Flüssigkeiten können sich untereinander optisch sehr stark unterscheiden. Eine wichtige Rolle spielt hierbei die Strukturierung der Materie. Man findet durchsichtige und transparente Materie aber auch deckend weisse und schillernd reflektierende wie bei Opalen. Dabei kann ein und dasselbe Material durch eine Änderung der Struktur erst transparent und dann weiss sein, wie man beim Braten des Eiweisses eines Spiegeleis leicht beobachten kann. Im Extremfall ist es über ein bestimmtes Spektrum an Farben möglich, ein perfekt reflektierendes Material herzustellen.

Vielversprechende Halbleitereigenschaften
Optische oder auch photonische Halbleiter spielen eine wichtige Rolle in der Laserphysik. Sie versprechen revolutionäre Anwendungen in der Photonik, also der Schaltung und Verarbeitung von Lichtsignalen, die aufgrund der höheren Geschwindigkeit vielleicht bald in vielen Bereichen die Elektronik ablösen könnten.
Seit geraumer Zeit ist bekannt, dass Kristallstrukturen unter bestimmten Bedingungen solche Halbleitereigenschaften besitzen. Gleichförmig ungeordnete (amorphe) Materialien mit diesen speziellen Eigenschaften wurden erstmals 2009 von einer Forschergruppe an der Universität Princeton (USA) postuliert. Diese völlig neuartigen und auf dem Computer konzipierten Systeme sind seitdem als hyperuniforme Materialien bekannt.