Neuer Mechanismus zur gezielten Kanalisierung von Licht entdeckt

Forschende des 4. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart und des Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in Mailand haben einen neuen Mechanismus zur gezielten Führung von Licht in einem natürlichen hyperbolischen Material ohne den Einsatz konventioneller nanostrukturierter Wellenleiter demonstriert. Die Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die integrierte Photonik, die optische Signalübertragung auf Chips sowie zukünftige Quantentechnologien. Die Ergebnisse der Experimente wurden in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

https://doi.org/10.1038/s41565-026-02243-9

Wirft man einen Stein ins Wasser, so kann man kreisrunde Wasserwellen sehen, die sich um die Einschlagstelle herum ausbreiten. Auch Licht breitet sich so in einem Material aus, wenn man von einem Punkt ausgeht, als Kreiswelle oder als Kugelwelle.

Leider ist dieser Effekt unerwünscht, wenn es um sehr gezielte oder effektive Lichtausbreitung geht, zum Beispiel bei der Übertragung von Daten im Internet. Dort möchte man Laserlicht gezielt vom Internetprovider zum Kunden schicken. Um das Licht auf seine Bahn zu zwingen, nutzt man Glasfaserkabel. Diese Kabel mit ihrem dünnen Glasstrang sorgen dafür, daß das Licht sich nicht in alle Richtungen ausbreitet wie eine Wasserwelle, sondern nur entlang der Glasfaserleitungen.

Ähnliche Effekte möchte man gerne in photonischen Chips nutzen, wo man sogenannte Wellenleiter nutzt, die das Licht auf eine schmale Bahn von A nach B zwingen. Indem man zum Beispiel in Glas oder Silizium solche schmalen Stege ätzt, kann man Wellenleiter für photonische Chips herstellen. Dies erfordert aber sehr aufwändige und teure Nanotechnologie und viele Arbeitsschritte wie zum Beispiel Belacken, Lithographie oder Ätzen. Die Herausforderung ist, die Funktion von Wellenleitung zu realisieren, in der man das Licht kanalisieren kann, ohne dass man aufwändige Bearbeitungsschritte dazu braucht.

Genau dies ist nun den Arbeitsgruppen von Prof. Harald Giessen am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart und von Prof. Antonio Ambrosio am Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in Mailand gelungen. Sie nutzten ein sogenanntes hyperbolisches 2-dimensionales Material, MoOCl₂, Molybdän-Oxy-Dichlorid, auf das sie eine kleine Nanoantenne aus Gold aufbrachten. Wurde nun ein Laser auf dieses Material eingestrahlt, gingen von der Nanoantenne kanalisierte Lichtwellen aus, die sich nur auf einer schmalen Linie in eine Richtung ausbreiteten, gerade als ob dort ein Wellenleiter wäre, der die Lichtwellen einfangen würde.

Das besondere an der Entdeckung, die von Farid Aghashirinov, Doktorand am 4. Physikalischen Institut, und von Andrea Mancini, Postdoc am IIT, an einem Nahfeldmikroskop durchgeführt wurden, ist die Tatsache, dass das Material aus einem einzigen Block besteht, den man nicht nanostrukturieren muß. Die Natur gibt vor, dass dieses Material in der einen Richtung metallisch ist und in der anderen Richtung dielektrisch, sprich sich wie Glas verhält, wenn man seine Polarisationsrichtung ändert.

Dieses sogenannte biaxiale Material hat einzigartige Eigenschaften, welche die Entdeckung des kanalisierten Lichtes in einem rohen Materialblock  ermöglicht haben. Die Elektronen im Material können besonders gut in einer Richtung schwingen und erlauben die Anregung von sogenannten Oberflächenplasmonen. Dies sind gemeinsam schwingende Elektronen, die das Licht transportieren, ganz ähnlich wie eine Wasserwelle. In der anderen Richtung können die Elektronen nicht gut hin und her schwingen und vermeiden daher die Lichtausbreitung durch Plasmonen. Das ist so, als würde man die Wasserwellen in einen schmalen Kanal zwingen, daher auch der Name „Plasmonen-Kanalisierung“ für die Entdeckung.

Die Wellenlänge, bei der der Effekt auftrat, lag bei vier Mikrometer und wurde mithilfe eines abstimmbaren Infrarotlasers der Stuttgarter Ausgründung Stuttgart Instruments GmbH erreicht. Stellten die Forscher eine andere Wellenlänge ein, zum Beispiel fünf Mikrometer, änderte sich die Wellenausbreitung schlagartig und man konnte elliptische Wellen beobachten. Drehte man die Wellenlänge in die andere Richtung, zum Beispiel zu drei Mikrometern, so waren hyperbolische Wellen zu sehen. Man kann diesen topologischen Übergang von offenen zu geschlossenen Wellen einfach demonstrieren, in dem man die Wellenlänge durchstimmt. Der kritische Punkt liegt genau bei der Kanalisierung der Wellen und tritt gerade dort auf, wo die beiden Brennpunkte der Ellipsen ins Unendliche wandern. Die Bilder der Plasmonenwellen wurden mit einem Nahfeldmikroskop (SNOM) der Firma attocube aus München aufgenommen.

Die Forscher hoffen, den Effekt nun für integrierte Optik, Wellenleitung auf photonischen Chips, und für integrierte Quantentechnologien nutzbar zu machen.

Aghashirinov, F., Mancini, A., Nan, L. et al. Intrinsic plasmon canalization in the biaxial van der Waals crystal MoOCl₂. Nat. Nanotechnol. (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02243-9

https://www.nature.com/articles/s41565-026-02243-9

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