Forscher ebnen Weg zu optischen Schaltkreisen

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TUM-Physiker haben Lichtquellen in atomar
dünnen Materialschichten auf Nanometer platziert

Forscher ebnen Weg zu optischen Schaltkreisen
Fehlstellen dienen als Nano-Lichtquellen (Grafik: Christoph Hohmann, MCQST)
10.08.2019 | Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben Lichtquellen in atomar dünnen Materialschichten auf wenige Nanometer genau platziert. Diese neue Methode ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen in den Quanten-Technologien, von Quanten-Sensoren, Transistoren in Smartphones bis zu neuen Verschlüsselungstechnologien für die Datenübertragung.

Molybdändisulfid als Basis

"Dies stellt einen ersten wichtigen Schritt in Richtung optischer Quanten-Computer dar. Denn für künftige Anwendungen müssen die Lichtquellen an photonische Schaltkreise, etwa an Wellenleiter, gekoppelt werden, um lichtbasierte Quantenberechnungen zu ermöglichen", so Julian Klein, Erstautor der Studie. Entscheidend dafür sei die exakte und präzise steuerbare Platzierung der Lichtquellen. In konventionellen 3D-Materialien wie Diamant oder Silizium gebe es zwar auch aktive Quanten-Lichtquellen, allerdings ließen sie sich dort nicht präzise platzieren.

 

Als Basismaterial haben die Physiker eine nur eine Atomlage dünne Schicht des Halbleiters Molybdändisulfid (MoS2) verwendet. Diese bestrahlten sie mit einem Helium-Ionenstrahl, den sie auf einer Fläche von weniger als einem Nanometer fokussierten. Um optisch aktive Defekte, die gewünschten Quanten-Lichtquellen, zu erzeugen, werden aus der Schicht Molybdän- oder Schwefel-Atome gezielt herausgelöst. Die Fehlstellen sind Fallen für sogenannte Exzitonen, Elektronen-Loch-Paare, die dann die gewünschten Photonen emittieren.

 

Theroriemodell zu Fehlstellen

Das Team hat gemeinsam mit Theoretikern der TUM, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Bremen ein Modell entwickelt, um die beobachteten Energiezustände der Fehlstellen auch theoretisch zu beschreiben. Künftig wollen die Forscher auch komplexere Lichtquellen-Muster erzeugen, etwa in lateralen zweidimensionalen Gitterstrukturen von Exzitonen, um so auch Vielteilchenphänomene oder exotische Materialeigenschaften zu untersuchen. Dies ist die experimentelle Eintrittspforte in eine bislang nur theoretisch beschriebene Welt im Rahmen des sogenannten Bose-Hubbard-Modells, das versucht, komplexe Vorgänge in Festkörpern zu erfassen. (pte)


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