„Das Potenzial, die Quanteneigenschaften von Materialien zu nutzen, deutet auf eine Zukunft hin, in der photonische integrierte Schaltkreise die Grenzen von Geschwindigkeit und Effizienz in Kommunikationstechnologien weltweit neu definieren.“ In der Schweiz haben Forscher einen bedeutenden Fortschritt in der Optoelektronik erzielt.
Ein Team von MARVEL hat in Zusammenarbeit mit Lumiphase, ETH Zürich und EPFL Lausanne einen neuartigen Berechnungsrahmen zur Simulation der optoelektronischen Eigenschaften von tetragonalem Bariumtitanat (BTO) entwickelt. Dieses ferroelektrische Perowskit-Material ist aufgrund seiner überlegenen optischen Funktionalitäten eine vielversprechende Alternative zu Silizium für photonische Geräte der nächsten Generation.
Der neue Rahmen, der in Physical Review B veröffentlicht wurde, bietet einen funktionsunabhängigen Ansatz zur Modellierung des Pockels-Effekts in BTO. Dieser Effekt, der für die Modulation von Lichtsignalen entscheidend ist, ermöglicht die dynamische Steuerung des Brechungsindex eines Materials, wenn es einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Die Ergebnisse des Teams haben erhebliche Auswirkungen auf die Telekommunikations- und Computerindustrie.
Die verbesserten BTO-basierten photonischen Geräte versprechen schnellere Datenübertragungsraten, einen geringeren Stromverbrauch und kleinere Formfaktoren. Durch das Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Positionierung von Titanatomen und dem Pockels-Koeffizienten können Forscher das Material für die Geräte-Miniaturisierung optimieren. Dies ist entscheidend für skalierbare industrielle Anwendungen, bei denen Platz- und Energieeffizienz von größter Bedeutung sind.
Das Team überwand Herausforderungen wie imaginäre Phononenfrequenzen, indem es Superzellen konstruierte und absichtliche außermittige Verschiebungen von Titanatomen innerhalb des Gitters einführte. Diese Modifikation glich das Berechnungsmodell stärker an experimentelle Daten an, was auf eine stabile Struktur hindeutet. Die Forschung wurde von der Schweizerischen Agentur für Innovationsförderung Innosuisse unterstützt.
Der entwickelte Rahmen setzt einen Präzedenzfall für die Materialmodellierung mit Präzision und Skalierbarkeit. Zukünftige Forschungen werden sich auf die Untersuchung frequenzabhängiger Effekte des Pockels-Phänomens konzentrieren. Dies wird das theoretische Verständnis vertiefen und die praktischen Fähigkeiten für BTO-Geräte erweitern, die unter verschiedenen Bedingungen betrieben werden.