Universität Osnabrück, Graduiertenkolleg Mikrostruktur oxidischer

GRADUIERTENKOLLEG MIKROSTRUKTUR OXIDISCHER KRISTALLE 35
Photorefraktive Eigenschaften und mikroskopische Struktur von Sillenit-Kristallen
Beginn des Projektes: 1. Januar 1998
Ende des Projektes: 31. Dezember 2000
Doktorandin: M. Sci. Hu Yi
Betreuer: Prof. Dr. K. H. Ringhofer
Zusammenfassung
Die erstmalige Überreichung des Nobelpreises für Forschungen im Bereich der (Physik und) Informationstechnologie
zeigt die Bedeutung dieses Gebietes für die heutige Gesellschaft. Die niedrigen Kosten der Speichermedien,
die hohen Speicherkapazitäten und die hohen Speicher- und Auslesegeschwindigkeiten bilden die Grundlage
für die Revolution, die sich gerade im Bereich der Informationstechnologie und, allgemeiner, im gesellschaftlichen
Bereich vollzieht.
Die Speicherung von Information durch magnetische und/oder optische Methoden findet immer noch primär an
der Oberfläche geeigneter Materialien statt. Diese Technik stößt jetzt aber an ihre Grenzen: die gespeicherte
Information muss in immer kleineren Flächen gespeichert werden, und dieser Prozess kann nicht unbegrenzt
fortgesetzt werden; auch thermische Instabilität ist bei steter Verfeinerung dieser Technik zu erwarten.
Eine attraktive Alternative ist die holographische Speicherung im Volumen eines photorefraktiven Kristalls.
Schnelle und wiederbeschreibbare holographische Speicher könnten auf Terabits an Information in weniger als
einer Millisekunde zugreifen und mit einer Geschwindikgkeit von mehr als einem Gigabit pro Sekunde auslesen,
wären also mehr als 100 mal so schnell wie ein DVD-Gerät.
Unter den anorganischen photorefraktiven Materialien bieten sich vor allem die Sillenite an, welche durch hohe
Empfindlichkeit und kleine dielektrische Relaxationszeit im sichtbaren Bereich ausgezeichnet sind. Ihre Anwendbarkeit
reicht sogar ins Infrarote und ihre Relaxationszeit kann in den Sub-Millisekundenbereich verkürzt
werden.
Das Ziel dieses Teilprojektes ist es gewesen, die durch die mikroskopische Struktur der Sillenite vorgegebenen
Materialeigenschaften wie optische Aktivität, primärer und sekundärer elektro-optischer Effekt, Photoleitfähigkeit
usw. zu studieren und Mittel und Wege zu finden, das Speichern und Auslesen von Information möglichst
effizient zu machen. Dies ist durch das Auffinden sehr genauer Näherungslösungen möglich geworden, die es
erlaubt haben, den günstigsten Kristallschnitt, die günstigste Kristalldicke und die günstigste Polarisation der
Schreibstrahlen für optimale Speicherung und optimales Auslesen zu finden.
Stand der Forschung zu Beginn des Teilprojektes
Obwohl die Stärke eines Volumen-Hologramms durch Anlegen eines äußeren zeitlich konstanten oder periodischen
elektrischen Feldes beträchtlich verbessert werden kann, gibt es Anwendungen wie z.B. die Interferometrie
[1], bei denen eines solches äußeres Feld äußerst unerwünscht ist. Das äußere Feld würde den Messaufbau
stark komplizieren und würde die Messresultate ungenau und schwer interpretierbar machen. Ohne ein solches
äußeres Feld wird die Kopplung zwischen den Schreibstrahlen wegen des kleinen elektro-optischen Koeffizienten
aber auch ziemlich schwach, so dass eine Optimierung des holographischen Verfahrens sehr
wünschenswert wird.
Infolge der Vielzahl der zur Optimierung zur Verfügung stehenden Parameter ist ein einfaches Ausprobieren
aller Möglichkeiten aussichtslos und die Modellierung des holographisches Prozesses wird unumgänglich. Diese
Modellierung ist allerdings ungewöhnlich schwierig, weil die Sillenite zur Kristallklasse 23 gehören, also kubische
Symmetrie zeigen. Damit bleiben die Polarisationsvektoren der Schreibstrahlen nicht eingefroren wie bei
den Ferroelektrika oder wie bei Anlegen eines starken äußeren Feldes, und es kommt zu einer Verdrehung der
Polarisationsvektoren im Inneren des Kristalls aus zwei Gründen: einerseits wegen der zum Teil starken opti-