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Photonik: Optischer Transistor aus einem Molekül

Ein einzelnes Farbstoffmolekül dient als Transistor, der optische statt elektrische Signale wie in den heute gebräuchlichen Bauteilen manipuliert. Hierbei kommen Photonen und nicht Elektronen zum Einsatz. Lichtquanten bieten mehrere Vorteile gegenüber ihren gewöhnlichen Gegenspielern: Sie würden Informationen beispielsweise schneller und nahezu verlustfrei übertragen.

Doch der Bau eines optischen Transistors wurde lange erschwert, da Photonen für gewöhnlich nur schwach miteinander interagieren. Denn ihr elektrisches Feld – über das sie in Wechselwirkung treten – ist wesentlich kleiner als bei den Atomen oder Molekülen in dem Medium, das sie durchdringen. Vahid Sandoghdar und seine Kollegen von der ETH Zürich verwendeten in ihrem Experiment deshalb nur ein einzelnes Farbstoffmolekül.

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Versuchsaufbau | Zwei Laserstrahlen sind auf ein einziges Molekül gerichtet, wo der eine von ihnen wie die Gate-Spannung in einem herkömmlichen Transistor wirkt und den anderen verstärkt oder dämpft.
Dabei wählen sie eine chemische Verbindung, welche die Photonen eines "steuernden" Laserstrahls (entsprechend der Gate-Spannung im gewöhnlichen Transistor) absorbieren und in einen angeregten Zustand übergehen kann. In diesem vermag es nun die Ausbreitung von Lichtquanten eines anderen einfallenden Strahls (entsprechend dem Source-Strom) zu beeinflussen. Im Fall von Sandoghdar und Co ließ das Molekül nach Einstrahlung des ersten Lichtstrahls mehr Photonen des zweiten Strahls durch als zuvor. Ein Gate-Photon würde den Source-Laserstrahl um nahezu zehn Prozent modulieren, berichten die Forscher.

Anwendungen eines solchen optischen Transistors seien aber noch in weiter Ferne. Zum Beispiel wären zu viele Gate-Photonen nötig, um einen Effekt zu erzielen. Zudem sei die Modulation des Source-Strahls zu gering, um als Signal für andere Transistoren in einem Netzwerk zu dienen. Und gerade Wechselwirkungen in und zwischen Netzwerken aus Transistoren bilden die Basis für heutige Computer. (mp)

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  • Quellen
Hwang, J. et al.: A single-molecule optical transistor. In: Nature 10.1038/nature08134, 2009.

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