Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuartige Lichtquellen aus zweidimensionalen Materialien

28.10.2016

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.

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


Photonenpaarquelle in einer künstlerischen Darstellung: Die Monolage (unten) gibt unter geeigneten Bedingungen exakt zwei Photonen unterschiedlicher Frequenz ab. Im Bild sind sie rot und grün.

Bild: Karol Winkler

Als Monolagen bezeichnet man in der Physik Feststoffe mit geringstmöglicher Dicke. Mitunter beträgt diese nur eine einzige Atomschicht; bei Kristallen können es aber auch drei oder mehr sein. Fachleute 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 hat ein Forschungsteam um Dr. Christian Schneider und Professor Sven Höfling vom Lehrstuhl für Technische Physik für seine Experimente genutzt.

Experimente starten mit Tesafilm

Zunächst wurde mit einer einfachen Methode eine Monolage hergestellt. 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 Schneider. „Die Lichtteilchen werden also im Doppelpack produziert.“

Derartige Zwei-Photonen-Quellen sind unter anderem aus folgendem Grund interessant: Mit ihrer Hilfe lassen sich 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 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. Diese Polaritonen ließen sich nun erstmals bei Raumtemperatur in atomaren Monolagen nachweisen.

Mittelfristig eröffnen sich damit interessante neue Anwendungsmöglichkeiten. 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.

Erste Früchte von Schneiders ERC-Projekt

Christian Schneider erhielt im Frühjahr 2016 einen der begehrten ERC Starting Grants des Europäischen Forschungsrats. Die EU fördert damit seine Arbeiten zu Übergangsmetall-Dichalkogeniden mit insgesamt 1,5 Millionen Euro. Die beiden Studien, publiziert in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“, sind erste Früchte des ERC-Projekts.

Die Publikationen in Nature Communications

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

Kontakt

Dr. Christian Schneider, Lehrstuhl für Technische Physik, Universität Würzburg, T (0931) 31-88021, christian.schneider@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Berichte zu: Bestrahlung Laser Licht Lichtquellen Lichtteilchen Monolage Photonen single photons

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Blick auf die Erde vor der Sonne
19.06.2019 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Zwei erdähnliche Planeten um einen der kleinsten Sterne – und die Möglichkeit, von dort aus die Erde nachzuweisen
18.06.2019 | Max-Planck-Institut für Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Im Focus: Successfully Tested in Praxis: Bidirectional Sensor Technology Optimizes Laser Material Deposition

The quality of additively manufactured components depends not only on the manufacturing process, but also on the inline process control. The process control ensures a reliable coating process because it detects deviations from the target geometry immediately. At LASER World of PHOTONICS 2019, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be demonstrating how well bi-directional sensor technology can already be used for Laser Material Deposition (LMD) in combination with commercial optics at booth A2.431.

Fraunhofer ILT has been developing optical sensor technology specifically for production measurement technology for around 10 years. In particular, its »bd-1«...

Im Focus: Additive Fertigung zur Herstellung von Triebwerkskomponenten für die Luftfahrt

Globalisierung und Klimawandel sind zwei der großen Herausforderungen für die Luftfahrt. Der »European Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation« der Europäischen Kommission für Forschung und Innovation sieht für Europa eine Vorreiterrolle bei der Vereinbarkeit einer angemessenen Mobilität der Fluggäste, Sicherheit und Umweltschutz vor. Dazu müssen sich Design, Fertigung und Systemintegration weiterentwickeln. Einen vielversprechenden Ansatz bietet eine wissenschaftliche Kooperation in Aachen.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und der Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen entwickeln zurzeit eine...

Im Focus: Die verborgene Struktur des Periodensystems

Die bekannte Darstellung der chemischen Elemente ist nur ein Beispiel, wie sich Objekte ordnen und klassifizieren lassen.

Das Periodensystem der Elemente, das die meisten Chemiebücher abbilden, ist ein Spezialfall. Denn bei dieser tabellarischen Übersicht der chemischen Elemente,...

Im Focus: The hidden structure of the periodic system

The well-known representation of chemical elements is just one example of how objects can be arranged and classified

The periodic table of elements that most chemistry books depict is only one special case. This tabular overview of the chemical elements, which goes back to...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungen

Teilautonome Roboter für die Dekontamination - den Stand der Forschung bei Live-Vorführungen am 25.6. erleben

18.06.2019 | Veranstaltungen

KI meets Training

18.06.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Universität Jena mit innovativer Lasertechnik auf Photonik-Messe in München vertreten

19.06.2019 | Messenachrichten

Meilenstein für starke Zusammenarbeit: Neuer Standort für Rittal und Eplan in Italien

19.06.2019 | Unternehmensmeldung

Katalyse: Hohe Reaktionsraten auch ohne Edelmetalle

19.06.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics