Neuartige Lichtquellen aus zweidimensionalen Materialien

Physiker der Universität Würzburg haben eine Lichtquelle hergestellt, die Doppelpacks von Photonen emittiert. Zwei-Photonen-Quellen eignen sich besonders gut, um Informationen abhörsicher zu verschlüsseln. Wesentliche Zutaten des Experiments waren ein Halbleiter-Kristall – und etwas Tesafilm.

Physiker der Universität Würzburg haben eine neuartige Lichtquelle hergestellt. (c) Michal Grosicki / Unsplash

Physiker der Universität Würzburg haben eine neuartige Lichtquelle hergestellt. (c) Michal Grosicki / Unsplash

Im Zentrum der Arbeit stehen so genannte Monolagen. Um diese „Super-Materialien“ (so das renommierte Wissenschafts-Magazin Nature) ist in den letzten zehn Jahren ein wahrer Hype entstanden. Denn sie haben das Zeug dazu, viele Bereiche der Physik zu revolutionieren.

Als Monolagen bezeichnen Physiker Feststoffe mit geringstmöglicher Dicke. Mitunter beträgt diese nur eine einzige Atomschicht; bei Kristallen können es aber auch drei oder mehr sein. Experten sprechen auch von zweidimensionalen Materialien. In dieser Form zeigen sie oft unerwartete Eigenschaften, die sie für die Forschung interessant machen. Besonders vielversprechend sind die so genannten Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDC). Diese verhalten sich wie Halbleiter. Aus ihnen lassen sich daher zum Beispiel extrem kleine und stromsparende Chips fertigen.

Zusätzlich können TMDC bei Energiezufuhr Licht erzeugen. Genau diesen Effekt haben die Wissenschaftler um Dr. Christian Schneider und Professor Dr. Sven Höfling vom Lehrstuhl für Technische Physik für ihre Experimente genutzt. Zunächst stellten die Forscher mit Hilfe einer einfachen Methode eine Monolage her. Üblicherweise wird dazu in einem ersten Schritt mit einem Stück Tesafilm eine mehrlagige Schicht von einem TMDC-Kristall abgerissen. Von dieser lässt sich dann auf analoge Weise eine noch dünnere Schicht abtragen. Der Prozess wird wiederholt, bis das Material auf dem Klebeband nur noch eine Lage dick ist.

Die Forscher kühlten diese Monolage auf eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt ab und regten sie mit einem Laser an. Unter spezifischen Bedingungen emittiert die Einzelschicht dann einzelne Photonen. „Wir konnten nun zeigen, dass bei einer bestimmten Art der Anregung nicht eines, sondern exakt zwei Photonen erzeugt werden“, erklärt Dr. Christian Schneider. „Die Lichtteilchen werden also im Doppelpack produziert.“

Derartige Zwei-Photonen-Quellen sind unter anderem aus folgendem Grund interessant: Mit ihrer Hilfe lassen sich sensible Informationen absolut abhörsicher übertragen. Dazu werden die Lichtteilchen miteinander verschränkt – ein quantenmechanischer Vorgang, bei dem ihr Zustand miteinander verwoben wird. Der Zustand des ersten Photons hat dann direkte Auswirkungen auf den des zweiten Photons, egal, wie weit die beiden voneinander entfernt sind. Diese Tatsache kann man für die Verschlüsselung von Kommunikationskanälen nutzen.

Monolagen ermöglichen neuartige Laser

In einer zweiten Studie demonstrieren die Würzburger Forscher noch eine weitere Anwendungsmöglichkeit der exotischen Einzelschichten. Dazu brachten sie eine Monolage zwischen zwei Spiegeln an und stimulierten sie wieder mit einem Laser. Durch die Bestrahlung wurde das TMDC-Plättchen so angeregt, dass es nun selbst Photonen abstrahlte. Diese wurden von den Spiegeln reflektiert und auf das Plättchen zurückgeworfen. Dort regten sie nun ihrerseits die Atome an und erzeugten so neue Photonen.

„Wir nennen diesen Vorgang eine starke Kopplung“, erklärt Schneider. Dabei werden die Lichtteilchen gewissermaßen geklont. „Licht und Materie hybridisieren; dabei entstehen neue Quasi-Teilchen, die Exziton-Polaritonen“, sagt der Physiker. Die Würzburger Wissenschaftler konnten diese Polaritonen nun erstmals bei Raumtemperatur in atomaren Monolagen nachweisen.

Mittelfristig eröffnen sich damit interessante neue Anwendungs-Möglichkeiten. Die „geklonten“ Photonen haben nämlich ähnliche Eigenschaften wie Laserlicht. Die Herstellungsmethode ist aber völlig unterschiedlich: Im Idealfall hält sich die Produktion neuer Lichtteilchen nach der initialen Anregung ohne weitere Energiezufuhr von selbst aufrecht. Bei einem Laser muss das lichterzeugende Material dagegen permanent von außen energetisch angeregt werden. Die neue Lichtquelle ist also sehr energieeffizient. Außerdem lassen sich mit ihr bestimmte Quanteneffekte besonders gut untersuchen.

Dr. Christian Schneider erhielt im Frühjahr einen der begehrten ERC Starting Grants des Europäischen Forschungsrats. Die EU fördert damit seine Arbeiten zu Übergangsmetall-Dichalkogenide mit insgesamt 1,5 Millionen Euro. Die beiden Studien, die beide in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications erscheinen, sind erste Früchte des ERC-Projekts.

Publikationen:
Yu-Ming  He,  Oliver  Iff,  Nils  Lundt,  Vasilij  Baumann,  Marcelo Davanco,  Kartik Srinivasan, Sven Höfling und Christian Schneider: Cascaded emission of single photons from the biexciton in monolayered WSe2; Nature Communications; DOI: 10.1038/ncomms13409

Nils  Lundt,  Sebastian  Klembt,  Evgeniia  Cherotchenko,  Oliver  Iff,  Anton  V.  Nalitov,  Martin Klaas, Simon Betzold, Christof P. Dietrich, Alexey V. Kavokin, Sven Höfling und Christian Schneider: Room temperature Tamm-Plasmon Exciton-Polaritons with a WSe2 monolayer; Nature Communications; DOI: 10.1038/ncomms13328

(Pressemitteilung für die Universität Würzburg)