Was ist ERC?

Der ERC Synergy Grant ist eine angesehene Förderung des Europäischen Forschungsrats, die an Forschungsteams mit großem Potential vergeben wird. Er ermöglicht wissenschaftliche Durchbrüche, die nur in enger Zusammenarbeit von Forschenden und durch die Kombination unterschiedlicher Fachgebiete gelingen können. Das Karlsruher Institut für Technologie erhält den Grant bereits zum vierten Mal, was seine Forschungsleistung unterstreicht.

Motivation

Die rapid ansteigende Datenmenge stellt die Kommunikationstechnik vor große Herausforderungen. Besonders das Training von Large Language Models für KI erfordert eine enorme Rechenleistung und den schnellen Austausch großer Datenvolumen zwischen vielen Rechnern. Transceiver, die elektrische in optische Signale umwandeln, spielen hier eine zentrale Rolle. Auf reinem Silizium basierende Techniken stoßen an ihre Leistungsgrenzen und sind den steigenden Anforderungen kaum mehr gewachsen. Gleichzeitig treiben die hohen Datenmengen den Energieverbrauch in die Höhe, was zu einem beträchtlichen CO₂-Ausstoß der KI-Systeme führt. Um die Datenübertragung effizienter und nachhaltiger zu gestalten, sind alternative Technologien und neuartige Materialien unerlässlich.

Die Rolle organischer Materialien

Eine vielversprechende Lösung für diese wachsenden Anforderungen stellen die Silicon-Organic-Hybrid (SOH) Modulatoren dar. Diese vereinen die klassische Siliziumphotonik mit der hohen elektro-optischen Aktivität organischer Materialien.

Beim Design der organischen Materialien haben sich Push-Pull-Systeme als besonders effektiv erwiesen. Eine beliebte Verbindungsklasse basiert auf dem CLD-Gerüst, bei dem ein meist alkyliertes Anilinderivat als Donoreinheit (Push-Part) dient. Der Akzeptor (Pull-Part) besteht aus einem Tricyanofuranderivat, das über eine substituierte Isophoronbrücke mit dem Donor verbunden ist.

In ATHENS werden sowohl optimierte CLD-Farbstoffe als auch neuartige Farbstoffstrukturen mit hoher elektro-optischer Aktivität synthetisiert. Theoretische Berechnungen dienen hier im Vorfeld dazu, vielversprechende Verbindungen vorherzusagen, welche im Anschluss synthetisiert werden. 

Neben der elektro-optischen Aktivität spielt auch die Ausrichtung der Farbstoffmoleküle eine entscheidende Rolle. Die Umwandlung elektrischer in optische Signale erfolgt durch den Pockels-Effekt, ein Phänomen der nichtlinearen Optik, dass eine spannungsabhängige Veränderung des Brechungsindex beschreibt. Dieser Effekt tritt nur auf, wenn die Farbstoffmoleküle nicht-zentrosymmetrisch angeordnet sind. Um diese Anordnung zu erreichen, wird ein spezieller Polungsschritt durchgeführt, der die Moleküle aus ihrer zentrosymmetrischen Lage bringt.

Idealerweise sind nach diesem Prozess alle Moleküle einheitlich ausgerichtet. In der Praxis hingegen entstehen Strukturen, in denen die Farbstoffe zwar eine bevorzugte Richtung aufweisen, die jedoch nicht ausreicht, um eine vollständige Einheitlichkeit zu gewährleisten. Eine bessere Ausrichtung der Moleküle durch den Polungsprozess führt zu einem stärkeren elektro-optischen Effekt. Daher ist ein weiteres Ziel die Synthese von Molekülen, die diese Ausrichtung gezielt verbessern.

Links zu den Webseiten:

ATHENS: https://www.athens.kit.edu

Prof. Christian Koos: https://www.ipq.kit.edu/team_Koos.php

Prof. Tobias Kippenberg: https://people.epfl.ch/tobias.kippenberg?lang=en

Prof. Carsten Ronning: https://www.nano.uni-jena.de/