Photonische Revolution: Narwalförmige Welle miniaturisiert Licht

Elektronik

Redaktionsteam der Website für technologische Innovation – 06.11.2025

Das Geheimnis zur Miniaturisierung von Lichtcomputern liegt in einer narwalförmigen Wellenfunktion, die eine räumliche Begrenzung in einem geeigneten elektromagnetischen Modus ermöglicht und die Stärke der Licht-Materie-Wechselwirkungen direkt bestimmt. [Bild: Wen-Zhi Mao et al. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Lichtbasierte Computertechnik

Die photonische Datenverarbeitung , bei der Prozessoren Photonen anstelle von Elektronen verwenden , hat ihre Vorteile hinsichtlich Geschwindigkeit und Energieeffizienz gegenüber elektronischen Computern bereits weitgehend unter Beweis gestellt.

Bis man jedoch ein photonisches Handy oder Notebook kaufen kann, müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden: Optische Komponenten können in puncto Miniaturisierung nicht mit Halbleiterelektronik mithalten.

Der Grund dafür ist fundamental: Heisenbergs Unschärferelation verknüpft die räumliche Ausdehnung des Lichts mit seiner Wellenlänge, die im sichtbaren und nahinfraroten Bereich bis zu tausendmal länger sein kann als die Wellenlänge von Elektronen. Diese Unvereinbarkeit hat photonische Chips bisher recht sperrig gehalten.

Die Plasmonik bietet einen Weg, diese Barriere zu überwinden, indem sie Metalle nutzt, um Licht auf ein Volumen unterhalb der Wellenlänge zu komprimieren. Metalle dissipieren jedoch Energie in Form von Wärme, was einen Kompensationsbedarf erzeugt und den Fortschritt hin zu einer effizienten, großflächigen Integration von Lichtcomputern behindert.

Charakteristika der Narwalwelle und ihre Entstehungsweise. [Bild: Wen-Zhi Mao et al. - 10.1186/s43593-025-00104-x]

Narwalförmige Welle

Die Hoffnung auf einen entscheidenden Fortschritt bei der Miniaturisierung lichtbasierter Computertechnik begann letztes Jahr aufzukommen, als ein Team der Peking-Universität in China eine singuläre Streugleichung entwickelte, einen neuen theoretischen Rahmen, der zeigt, wie Licht in dielektrischen (isolierenden oder nichtleitenden) Materialien verlustfrei auf extreme Skalen beschränkt werden kann.

Durch die ausschließliche Verwendung dielektrischer Materialien werden ohmsche Verluste vermieden, wodurch der Weg für eine neue Generation kompakter und energieeffizienter photonischer Bauelemente geebnet wird.

Dasselbe Team hat nun sein Verständnis des Phänomens vertieft und entdeckt, dass die außergewöhnliche, durch die singuläre Dispersionsgleichung ermöglichte Begrenzung aus einer neuen Klasse elektromagnetischer Eigenmoden hervorgeht – speziellen Wellenfunktionen mit einem narwalartigen Profil. Die Welle weist ein Profil auf, das an den Narwal, auch See-Einhorn genannt, erinnert – einen Zahnwal mit einem langen, geraden, spiralförmigen Stoßzahn, der wie ein Horn aussieht, aber tatsächlich ein verlängerter linker oberer Eckzahn ist.

Diese Wellenmoden kombinieren lokale Verstärkung durch Potenzgesetze mit globalem exponentiellem Abfall, wodurch sich elektromagnetische Felder weit über die herkömmlichen, durch die Wellenlänge vorgegebenen Grenzen hinaus konzentrieren und komprimieren können.

Mit diesem Verständnis verfügte das Team nun über alle notwendigen Mittel, um den Effekt in der Praxis zu demonstrieren.

Die narwalförmige Welle wird durch dielektrische Nanolaser mit Nanoantennen im atomaren Bereich erzeugt. [Bild: Yun-Hao Ouyang et al. - 10.1038/s41586-024-07674-9]

Miniaturisierung der Photonik

Wen-Zhi Mao und seine Kollegen entwarfen, bauten und demonstrierten experimentell die Funktionsweise eines dreidimensionalen dielektrischen Resonators, der in der Lage ist, Wellen durch Subdiffraktion in allen drei Raumdimensionen einzuschließen.

Mithilfe von Nahfeld-Scanning-Messungen beobachteten sie direkt die narwalförmigen Wellenfunktionen und erfassten deutlich deren Wachstum nahe der Singularität gemäß dem Potenzgesetz sowie den exponentiellen Abfall in größeren Abständen. Das erreichte Volumen ist winzig, nur 5 × ^{10⁻⁷ λ³} – λ entspricht der Wellenlänge des Lichts.

Das Experiment beweist, dass die singuläre Dispersionsgleichung zu narwalförmigen Wellenfunktionen führt, exotischen Moden, die Licht in verlustfreien Dielektrika auf extremen Skalen einfangen. Damit wird das von dem Team so genannte „Singulonics“ begründet, ein neues nanophotonisches Paradigma, das die Begrenzung von Licht in Dimensionen ermöglicht, die viel kleiner als die Wellenlänge sind, sowie die Kontrolle dieses Lichts ohne Verluste durch Dissipation.

Dieser Durchbruch verspricht eine deutliche Steigerung der Informationseffizienz und eröffnet neue Wege in der Quantenoptik und -mikroskopie , wodurch die Möglichkeiten der Superauflösungsbildgebung erweitert werden. Im letzteren Fall hat das Team sein Experiment bereits genutzt, um eine neue Nahfeld-Rastermikroskopie-Technik zu demonstrieren, die es als singuläres optisches Mikroskop bezeichnete und die eine beispiellose räumliche Auflösung von λ/1000 aufweist.

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