Forschende des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) in Erlangen, der Leibniz Universität Hannover (LUH) und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena haben eine neue Art von Lichtfaser geschaffen, die Licht- und Schallwellen gleichzeitig leiten kann. Der entscheidende Schritt: Eine mit Flüssigkeit gefüllte Glaskapillare wurde in flüssigem Stickstoff auf -196 °C abgekühlt. Der flüssige Kern der Faser wechselte dadurch seinen Zustand von flüssig zu fest.

Das Ergebnis ist eine ungewöhnlich starke Wechselwirkung zwischen Licht und Schall. Eine Eigenschaft, die künftig helfen könnte, den Energieverbrauch photonischer Rechensysteme und Anwendungen der Quanten-Signalverarbeitung deutlich zu reduzieren.

Ein uraltes Prinzip mit neuen Möglichkeiten

Phasenübergänge begleiten die Natur seit jeher. Wenn ein Vulkan ausbricht, erstarrt flüssige Lava beim Abkühlen zu festem Gestein. Wenn im Winter ein See zufriert, ordnen sich die Wassermoleküle in einer neuen Struktur an. In beiden Fällen verändert sich das Material und mit ihm seine physikalischen Eigenschaften.

Dichte und Brechungsindex etwa bestimmen, wie sich Schall und Licht in einem Stoff ausbreiten. Genau diese Veränderungen machen sich Wissenschaftler*innen seit Langem bei der Herstellung optischer Fasern zunutze. Glasvorformen werden erhitzt, ihre Struktur verändert und anschließend zu dünnen Fasern gezogen. Licht kann dadurch gezielt durch den Faserkern geführt werden – eine Grundlage für die moderne Telekommunikation.

Doch Glasfaser ist längst nicht mehr nur ein Medium für die Datenübertragung. Für spezielle Anwendungen wurden zahlreiche Varianten entwickelt. Hohlkernfasern, die mit Gasen oder Flüssigkeiten gefüllt sind, können beispielsweise Temperaturverteilungen messen oder als winzige chemische Reaktionsräume dienen. Auch Faserlaser, Faserkopfendoskope und hochpräzise Sensoren profitieren von solchen maßgeschneiderten Faserkonzepten.

Der gefrorene Kern bleibt ein Lichtleiter

Die nun entwickelte Flüssigkeitskernfaser, kurz LiCOF (Liquid Core Optical Fiber), geht einen Schritt weiter. Die Forschenden froren den flüssigen Kern gezielt ein und untersuchten, ob die Faser trotz des neuen Aggregatzustands ihre besonderen Eigenschaften behält.

Sie tat es und zeigte darüber hinaus eine unerwartete Fähigkeit.

„Der entscheidende Punkt ist, dass der gefrorene Abschnitt der LiCOF seine Fähigkeit zur Lichtleitung beibehält. Nicht nur das: Sowohl der flüssige als auch der gefrorene Abschnitt der Faser leiten Hyperschallwellen“, sagt Simon Seiderer, einer der drei Hauptautoren des Artikels und Wissenschaftler in der Forschungsgruppe „Quantum Optoacoustics“ von Prof. Dr. Birgit Stiller, die das Projekt am MPL und an der LUH leitet.

Damit entstand eine neue Plattform für die sogenannte Optoakustik, also die Verbindung von Licht- und Schallwellen.

Eine tausendfach stärkere Verbindung zwischen Licht und Schall

Die Forschenden nutzen dabei einen Effekt, der als Brillouin-Mandelstam-Streuung bekannt ist. Dabei können Licht und Schall in einem Material miteinander wechselwirken. In gewöhnlichen optischen Fasern tritt dieser Effekt bereits auf, allerdings nur in begrenztem Umfang.

Der eingefrorene LiCOF-Kern verändert die Bedingungen grundlegend. Der Phasenübergang erzeugt eine extrem begrenzte und dichte Umgebung, in der die Wechselwirkung zwischen Licht und Schall besonders stark wird. Die optoakustische Kopplung ist dadurch mehr als 1000-mal stärker als in herkömmlichen optischen Fasern.

Diese Verstärkung eröffnet neue technische Möglichkeiten. Die Wissenschaftler:innen demonstrierten bereits einen optoakustischen Speicher – eine Technologie, die als wichtiger Baustein für photonische neuromorphe Rechensysteme gilt.

Das Prinzip ähnelt dabei einem Übersetzungsprozess zwischen zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten: Informationen werden zunächst in einer schnellen Lichtwelle übertragen und anschließend auf wesentlich langsamere Schallwellen übertragen. Nach einer gewissen Zeit können sie wieder zurück in Licht umgewandelt werden.

Gerade diese Kombination aus hoher Geschwindigkeit und geringem Energiebedarf macht photonische Rechenarchitekturen interessant. Die effiziente Kopplung in der gefrorenen Flüssigkeitskernfaser könnte dazu beitragen, den Energieverbrauch solcher Systeme um mehrere Größenordnungen zu senken.

Eine neue physikalische Plattform für die Photonik

Möglich wurde die Entwicklung durch die Zusammenarbeit mit Prof. Markus Schmidt und Prof. Mario Chemnitz vom IPHT Jena. Beide haben wesentliche Pionierarbeit auf dem Gebiet optischer Flüssigkeitskernfasern geleistet. Das Einfrieren des Faserkerns ergänzt diese Arbeiten um einen entscheidenden Aspekt: Es schafft eine Plattform mit besonders starken Nichtlinearitäten.

„Durch das Einfrieren des flüssigen Kerns haben wir eine völlig neue physikalische Plattform geschaffen, die extreme Nichtlinearitäten bietet und gleichzeitig einfach zu handhaben ist“, sagt Stiller.

Der optoakustische Speicher ist für die Forschenden dabei erst der Anfang. Die ungewöhnlich starke Verbindung zwischen Licht und Schall könnte nicht nur für neuromorphes Rechnen relevant werden, sondern auch für weitere Zukunftsfelder der Photonik.

„Die Demonstration eines hocheffizienten optoakustischen Speichers ist zwar ein fantastischer erster Schritt, doch dieses Niveau der Licht-Schall-Kopplung eröffnet nicht nur spannende neue Möglichkeiten für das neuromorphe Rechnen, sondern auch für die Quanteninformationsverarbeitung, die Mikrowellenphotonik und die hochpräzise Sensorik.“

Originalpublikation:
Simon Seiderer, Andreas Geilen, Luan N. Sliwa, Linqiao Gan, Xue Qi, Mario Chemnitz, Markus A. Schmidt, and Birgit Stiller, "Giant Brillouin gain in frozen CS2 capillaries," Optica 13, 1415-1422 (2026) DOI:10.1364/OPTICA.600056

Quelle: Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts