Physiker*innen der Universität Bielefeld und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) haben eine Methode entwickelt, um atomar dünne Halbleiter mit extrem kurzen Lichtblitzen zu steuern. Die in Nature Communications veröffentlichte Studie könnte ultraschnelle Bauteile ermöglichen, die direkt vom Licht gesteuert werden. Das könnte eine neue Generation optoelektronischer Bauelemente ermöglichen.

Die Forschenden nutzen speziell entwickelte winzige Nanoantennen, um Terahertz-Licht in senkrechte elektrische Felder in atomar dünnen Halbleitern, wie Molybdändisulfid (MoS₂), umzuwandeln. Terahertz-Licht liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot und Mikrowellen. Dank neu entwickelter Antennen erreichen diese Felder eine Stärke von mehreren Megavolt pro Zentimeter. 

„Solche senkrechten elektrischen Felder, die beispielsweise Transistoren und andere Bauelemente schalten lassen, werden traditionell durch elektronische Gate-Spannungen erzeugt, was jedoch prinzipiell auf vergleichsweise langsame Reaktionszeiten beschränkt ist“, erklärt der Leiter des Projekts, Physikprofessor Dr. Dmitry Turchinovich von der Universität Bielefeld. „Unser Ansatz nutzt das Terahertz-Licht selbst zur Erzeugung des sehr starken Steuersignals innerhalb des Halbleitermaterials – und erlaubt damit eine industrietaugliche lichtgesteuerte ultraschnelle optoelektronische Technologie, die bisher nicht möglich war.“ 

Ultraschnelle Materialsteuerung

Die Technik ermöglicht eine Echtzeitkontrolle der elektronischen Struktur auf Zeitskalen unterhalb einer Pikosekunde. Das entspricht dem Billionstel einer Sekunde. Die Wissenschaftler*innen konnten experimentell nachweisen, dass sich die optischen und elektronischen Eigenschaften des Materials durch die Lichtimpulse gezielt verändern lassen.

Das grundlegende Konzept sowie die experimentelle Umsetzung und theoretische Modellierung entwickelte die Universität Bielefeld. Dr. Tomoki Hiraoka, Erstautor der Studie und zum Zeitpunkt der Arbeiten Marie-Skłodowska-Curie-Fellow in der Arbeitsgruppe von Professor Turchinovich, leistete einen zentralen Beitrag zu diesem Projekt. „Einen derart starken und kohärenten Effekt allein durch Terahertz-Lichtpulse zu beobachten, war äußerst lohnend,“ sagt Tomoki Hiraoka. 

Die komplexen 3D–2D-Nanoantennen, die für diesen Effekt erforderlich sind, wurden am IFW Dresden von einem Team unter der Leitung von Dr. Andy Thomas gefertigt. „Es war ein langer Weg, die optimalen Bauelemente zu entwickeln – wir mussten viele unterschiedliche Strukturen herstellen und testen, bevor wir die gewünschte Leistung erzielen konnten“, sagt Andy Thomas.

Anwendungen in Zukunftstechnologien

Die Entwicklung könnte zu ultraschnellen Signalsteuerungsgeräten, elektronischen Schaltern und Sensoren führen. Solche Komponenten werden etwa zur Datenübertragung, in ultraschnellen Kameras oder Lasergeräten eingesetzt. Potenzielle Anwendungsgebiete sind Kommunikationssysteme, Computing, Bildgebung und Quantentechnologien.

Originalpublikation:
Tomoki Hiraoka, Sandra Nestler, Wentao Zhang, Simon Rossel, Hassan A. Hafez, Savio Fabretti, Heike Schlörb, Andy Thomas, Dmitry Turchinovich: Terahertz field effect in a two-dimensional semiconductor. Nature Communications.
https://doi.org/10.1038/s41467-025-60588-6, veröffentlicht am 05.06.2025.

Kontakt IFW Dresden:
Dr. Andy Thomas
Groupleader: Spintronic Transport and Devices
E-Mail: a.thomas[at]ifw-dresden.de
Telefon: +49 351 - 4659 746

Weitere Informationen:
Arbeitsgruppe „Ultrafast Science – Terahertz Physics“ von Dmitry Turchinovich