Forscher entwickeln winzigen Chip, der mit Licht statt Strom Daten verarbeitet

Das Team hat einen wichtigen Schritt in diese Richtung getan, indem es ein neues Gerät vorgestellt hat, das in einer einzigen Plattform die Erzeugung, Steuerung und das Auslesen lichtbasierter Signale vereint. Der Fokus liegt dabei auf dem aufstrebenden Forschungsfeld „Valleytronics".

Dieses Feld zielt darauf ab, Informationen unter Nutzung spezifischer Quanteneigenschaften in fortschrittlichen Materialien zu speichern und zu verarbeiten. Wissenschaftler betrachten diese Technologie seit langem als vielversprechenden Weg zu schnellerer Rechenleistung, geringerem Energieverbrauch und leistungsfähigeren Kommunikationssystemen.

Eine wesentliche Herausforderung hat das Feld bisher jedoch gebremst: Bislang war es niemandem gelungen, alle erforderlichen Schlüsselfunktionen auf einer einzigen kompakten Plattform zu integrieren. Das Team der Monash University gibt an, dieses Problem nun gelöst zu haben.

Technik und Auswirkungen

In einer in der Fachzeitschrift „Nature Photonics" veröffentlichten Studie präsentierten die Forscher einen Nanokreislauf. Dieses Bauteil erzeugt spezialisierte Lichtsignale, lenkt diese präzise und wandelt sie auf demselben Chip in elektrische Signale um. Das Gerät nutzt den sogenannten „Valley-Freiheitsgrad".

Dies ist eine Quanteneigenschaft bestimmter Materialien, die Informationen speichern kann, was konventionelle Elektronik nicht leisten kann. Während herkömmliche Computerchips auf dem Transport sind, setzen photonische Systeme auf Licht für die Datenübertragung.

Da Licht schneller reist und weniger Wärme erzeugt, gehen Forscher davon aus, dass zukünftige photonische Technologien die Verarbeitungsgeschwindigkeit erheblich steigern und den Energiebedarf in Rechenzentren, KI-Systemen sowie Kommunikationsnetzen deutlich senken können. Erstautor Dr.

Technik, Energie und Einsatz

Chi Li erklärte, dass die neue Plattform eine wesentliche Hürde in der Valleytronik-Forschung überwindet. „Bisher konnten wir diese Signale zwar erzeugen oder detektieren, aber nicht alles in einem integrierten Gerät realisieren", so Dr. Li.

Er betonte weiter: „Das, was wir entwickelt haben, ist ein vollständiges System auf einem Chip, das diese Informationen mit sehr hoher Präzision erzeugen, routen und auslesen kann." Die Technologie kombiniert ultradünne Materialien, die nur wenige Atome dick sind, mit maßgeschneiderten Nanostrukturen, den sogenannten Metasurfaces.

Diese können Licht auf Skalen manipulieren, die kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares. Ko-Erstautor Dr. Kaijian Xing erläuterte, dass das Team eine Schicht-für-Schicht-Methode einsetzte, um diese Materialien zu kombinieren, ohne ihre empfindliche Struktur zu beschädigen.

Technik, Energie und Einsatz

Dies war ein Problem, das frühere Versuche zur Entwicklung praktischer Valleytronic-Geräte behinderte. „Wir verwenden einen einfachen Stapelansatz, um ultradünne Materialien mit Metasurfaces zu integrieren", sagte Dr.

Xing. „Dadurch überwinden wir die technischen Herausforderungen des direkten Materialwachstums auf photonischen Strukturen und ermöglichen weitere Fortschritte in der Valleytronik." Ein entscheidender Aspekt des Systems ist, dass es bei Raumtemperatur funktioniert.

Viele experimentelle Quantentechnologien benötigen für ihren Betrieb extrem kalte Umgebungen und setzen dabei oft auf komplexe und teure Kühlanlagen. Durch den Verzicht auf diese Bedingungen wird das Gerät der Monash University für reale Anwendungen deutlich praktikabler.

Technik und Auswirkungen

Der Chip zeigt zudem ein Maß an Miniaturisierung, das dazu beitragen könnte, zukünftige Technologien aus Forschungslaboren in kommerzielle Geräte zu überführen. Dr.

Haoran Ren, ARC Future Fellow und Leiter der Monash NanoMeta Group, erklärte, dass die Forschung dazu beitragen könnte, eine neue Generation kompakter und programmierbarer photonischer Technologien zu ermöglichen. „Dies ist ein bedeutender Schritt hin zu skalierbaren, chipbasierten Technologien, die Licht statt Elektrizität zur Informationsverarbeitung einsetzen", sagte Dr.

Ren. Photonische Bauelemente nutzen Licht, um enorme Bandbreiten, extrem hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten und einen geringeren Energieverbrauch zu erreichen. Das Erreichte hat daher großes Potenzial für Anwendungen im Quantencomputing, in der fortgeschrittenen Bildgebung sowie in den Kommunikationssystemen der nächsten Generation.

Technik und Auswirkungen

Um die Fähigkeiten des Chips zu demonstrieren, kodierten und verarbeiteten die Forscher zwei separate Bilder gleichzeitig. Damit zeigten sie, dass das System mehrere Informationsströme parallel bewältigen kann. Professor Stefan A.

Maier, Leiter der School of Physics and Astronomy sowie des Nanophotonics Laboratory an der Monash University, betonte, dass diese Arbeit einen wichtigen Schritt zur Umwandlung der Valleytronik in eine praxistaugliche Technologie darstellt. „Dies ist ein entscheidender Schritt hin zu vollständig integrierten valleytronic Systemen", so Professor Maier. „Indem wir Licht und Quantenmaterialien auf einem Chip kombinieren, können wir neue Wege zur Kodierung und Verarbeitung ßen." Die Studie trägt den Titel „Ein programmierbares Valley-Optoelektronik-Nanokreis auf einem Chip" und wurde, Kaijian Xing, Wenhao Zhai, Luca Sortino, Andreas Tittl, Igor Aharonovich, Michael S.

Fuhrer, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Qingdong Ou, Zhaogang Dong, Stefan A. Maier und Haoran Ren verfasst. Sie erschien am 25. Mai 2026 in „Nature Photonics" (DOI: 10.1038/s41566-026-01916-0). Die Forschung wurde vom Australian Research Council gefördert.