Eingefroren bei minus 196 Grad: Warum eine Glasfaser mit festem Kern plötzlich rechnen soll
Ein Forschungsverbund hat optische Fasern mit flüssigem Kern in Stickstoff erstarren lassen – und dabei eine Kopplung zwischen Licht und Schall erzeugt, die laut den Beteiligten mehr als tausendfach stärker ausfällt als in gewöhnlichen Glasfasern. Interessant ist der Befund weniger für die Datenübertragung als für eine ganz andere Frage: den Stromverbrauch künftiger Rechenarchitekturen.
Glasfasern sind ein Massenprodukt. Sie werden aus erhitzten Glasvorformen gezogen, leiten Licht in ihrem Kern und transportieren so den größten Teil des weltweiten Datenverkehrs. Für Spezialanwendungen – Faserlaser, Endoskope, verteilte Sensorik – gibt es seit Jahrzehnten abgewandelte Bauformen. Eine davon sind Hohlkernfasern, deren Inneres mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt ist und die dadurch zu mikroskopisch kleinen Messkammern werden.
An dieser Stelle setzt eine Arbeit an, die Forschende des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Erlangen, der Leibniz Universität Hannover und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien in Jena in der Fachzeitschrift Optica veröffentlicht haben. Die Gruppe hat sogenannte Flüssigkeitskernfasern in Stickstoff bei rund minus 196 Grad Celsius eingefroren – der Kern durchläuft dabei einen Phasenübergang von flüssig zu fest.
Der Phasenübergang als Konstruktionsmittel
Dass sich beim Erstarren einer Flüssigkeit physikalische Eigenschaften ändern, ist trivial: Dichte und Brechungsindex verschieben sich, und damit auch, wie sich Licht und Schall im Material ausbreiten. Man kennt den Effekt vom zufrierenden See ebenso wie vom erkaltenden Lavastrom. Ungewöhnlich ist, ihn gezielt im Inneren eines Bauteils einzusetzen, das anschließend weiter funktionieren soll.
Genau das berichten die Beteiligten: Der eingefrorene Abschnitt der Faser leitet weiterhin Licht. Zusätzlich transportieren sowohl der flüssige als auch der erstarrte Abschnitt Hyperschallwellen. Damit entsteht eine Umgebung, in der Licht- und Schallwellen sehr dicht beieinander liegen – und miteinander wechselwirken.
Der zugrunde liegende Effekt, die Brillouin-Mandelstam-Streuung, ist aus gewöhnlichen Glasfasern seit Langem bekannt und dort oft eher ein Störfaktor. In der eingefrorenen Faser fällt die optoakustische Kopplung nach Angaben der Forschungsgruppe um mehr als das Tausendfache stärker aus als in herkömmlichen Fasern.
Warum das mit Rechnen zu tun hat
Der praktische Nachweis, den die Gruppe vorlegt, ist ein optoakustischer Speicher. Das Prinzip nutzt einen schlichten Umstand: Licht ist schnell, Schall ist langsam. Wer Information von einer Lichtwelle auf eine Schallwelle überträgt, kann sie dort für eine kurze, aber im Maßstab der Optik erhebliche Zeit „parken“ und anschließend wieder in Licht zurückwandeln. Ein solcher Zwischenspeicher gilt als Grundbaustein für photonisches neuromorphes Rechnen – also für Rechenarchitekturen, die Signale in Lichtform verarbeiten und dabei an der Funktionsweise neuronaler Netze orientiert sind.
Der Engpass dieser Ansätze ist bislang der Energieaufwand: Je schwächer die Kopplung zwischen Licht und Schall, desto mehr Leistung braucht es, um überhaupt einen nutzbaren Effekt zu erzeugen. Eine deutlich stärkere Kopplung verschiebt diese Rechnung. Die Forschungsgruppe verweist neben dem neuromorphen Rechnen auch auf Quanteninformationsverarbeitung, Mikrowellenphotonik und hochpräzise Sensorik als mögliche Anwendungsfelder.
Was der Befund noch nicht ist
Einordnend gehört dazu: Es handelt sich um Grundlagenforschung an einer Laborplattform, nicht um ein Bauteil, das sich in bestehende Netze oder Rechenzentren einsetzen ließe. Die Betriebsbedingung – flüssiger Stickstoff – ist für Laborexperimente Routine, für breite technische Anwendungen aber eine erhebliche Hürde. Supraleitende Elektronik zeigt seit Jahrzehnten, wie aufwendig es bleibt, Tieftemperaturtechnik aus dem Labor in den Regelbetrieb zu bringen; der Kühlbedarf frisst mögliche Energiegewinne teilweise wieder auf.
Bemerkenswert ist die Arbeit dennoch aus einem anderen Grund. Sie erweitert die Materialbasis der Photonik nicht durch ein neues Material, sondern durch einen neuen Zustand eines bekannten Materials. Der Aufwand liegt nicht in aufwendiger Fertigung, sondern im Abkühlen – ein Ansatz, den die beteiligte Forschungsgruppenleiterin Birgit Stiller als „völlig neue physikalische Plattform“ beschreibt, die zugleich einfach zu handhaben sei. Ob daraus Technik wird, entscheidet sich erst, wenn jemand versucht, den Effekt bei weniger extremen Temperaturen zu reproduzieren.
Redaktionelle Einordnung einer Forschungsmeldung. Die Angaben zu Messergebnissen beruhen auf der Mitteilung der beteiligten Institute und der zugehörigen Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Optica.