Dissonanzen in der Quantenschwingung

Eine Bierflasche entfaltet ihre Physik erst, wenn sie halb leer ist: bläst man auf die Öffnung, so erklingt ein Ton, dessen Höhe von der Füllmenge abhängt. Die Luftsäule in der Flasche wird in eine wellenartige Bewegung versetzt.

Bläst man noch kräftiger, so verdoppelt sich die Frequenz des Tons: ein Oberton erklingt genau eine Oktave höher, eine Welle mit der doppelten Frequenz des Grundtons. Auch bei Lichtwellen kann die Erzeugung solcher Obertöne bei der Wechselwirkung mit Materie beobachtet werden.

Wie eine Forschergruppe der Universität Regensburg nun gezeigt hat, führt ein außergewöhnlicher Effekt der Quantenmechanik jedoch dazu, dass diese Schwingung bei genau der doppelten Frequenz unterdrückt wird – stattdessen „erklingt“ der Oberton bei etwas niedrigeren und etwas höheren Frequenzen.

Musikalisch betrachtet würde ein Grundton C nicht mit seiner Oktave c ertönen, sondern mit den zwei benachbarten Tönen H und cis. Die Oktave selbst wird durch die sogenannte „elektromagnetisch induzierte Transparenz“ unterdrückt.

Der erstmalige Nachweis dieser Transparenz in Halbleiter-Nanostrukturen verspricht die Entwicklung neuartiger Laserquellen sowie Bauelementen für die optische Verarbeitung von Quanteninformationen.

Das Wolframdiselenid ist bekannt für seinen schichtartigen Aufbau. Diese Eigenschaft macht das Material wie Graphit zu einem guten Trockenschmierstoff.

Die schwache Bindung einzelner Kristalllagen ermöglicht ihre einfache Trennung durch Abziehen mittels Klebeband – eine Technik, die Andre Geim und Konstantin Novoselov zum ersten Mal für Graphit verwendet haben, und die für ihre Experimente an einzelnen Graphitlagen, dem sogenannten Graphen, bereits 2010 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurden.

Im Gegensatz zu Graphen sind einzelne Lagen des Wolframdiselenids jedoch Halbleiter, die besonders stark mit Licht wechselwirken. Dies macht sie für eine ganze Reihe von optoelektronischen Anwendungen interessant, sodass sie zurzeit im Fokus vieler internationaler Forschungsgruppen stehen.

Wird eine solche Kristalllage nun mit Laserlicht bestrahlt, so können die von der Quantenphysik als Wellen beschriebenen Elektronen im Material entsprechend Energie aus dem Lichtfeld aufnehmen. Sie ändern dabei ihre Energie sprunghaft, ein Prozess, der mit einer Schwingung der Elektronenwelle verbunden ist.

Finden sich im Material nun mindestens drei passende Elektronenenergien, so können sich die zugehörigen Schwingungen ähnlich wie Wasserwellen überlagern und gegenseitig verstärken oder auslöschen – die sogenannte Quanteninterferenz.

Diese lässt sich im Experiment durch die auftretende gestreute Strahlung nachweisen. Hierfür wird das Farbspektrum der von der Oberfläche zurückgestreuten Strahlung durch das Auffächern, zum Beispiel mittels eines Prismas, auf fehlende Farbkomponenten untersucht – bei genau der doppelten Frequenz des eingestrahlten Lichts fehlt dann eine Farbe im Spektrum.

Die Beobachtung ist für derart dünne Materialsysteme bisher einzigartig und ermöglicht die Übertragung der aus atomaren Gasen bekannten Quantenphänomene auf ultradünne Materialsysteme.

Die starke Licht-Materie Wechselwirkung in diesen „künstlichen Atomen“ könnte in Zukunft die Entwicklung neuartiger Oberflächenlaser ermöglichen, die ohne die sonst notwendige hohe Dichte angeregter Elektronenzustände auskommen.

Sie eröffnet auch neue Perspektiven für die Modifikation der elektronischen Eigenschaften von Festkörpernanostrukturen mit Hilfe von Lichtfeldern.

Die Ergebnisse des Forschungsteams der Universität Regensburg wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht: http://dx.doi.org/10.1038/s41567-018-0384-5

Dr. Sebastian Bange
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Kontakt per E-Mail: sebastian.bange@ur.de

Kai-Qiang Lin, Sebastian Bange, John M. Lupton: Quantum interference in second-harmonic generation from monolayer WSe2, Nature Physics (2019)
DOI: 10.1038/s41567-018-0384-5