Doppelte Photonen aus 2D-Materialien

Eine Lichtquelle, die Photonen im Doppelpack emittiert, haben Forscher der Uni Würz­burg herge­stellt. Solche 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 Monolagen. Um diese „Super-Materi­alien“ ist in den ver­gan­genen zehn Jahren ein wahrer Hype ent­standen. Denn sie haben das Zeug dazu, viele Bereiche der Physik zu revo­lu­tio­nieren. Als Mono­lagen – oder 2D-Materi­alien – bezeichnet man Fest­stoffe mit geringst­mög­licher Dicke. Mit­unter beträgt diese nur eine einzige Atom­schicht, bei Kris­tallen können es aber auch drei oder mehr sein. Die zwei­dimen­sio­nalen Materi­alien zeigen oft uner­wartete Eigen­schaften, die sie für die Forschung inte­res­sant machen. Besonders viel­ver­sprechend sind Über­gangs­metall-Dichalko­genide TMDC: Sie verhalten sich wie Halb­leiter, aus ihnen lassen sich daher zum Beispiel extrem kleine und strom­sparende Chips fertigen.

Außerdem können TMDC bei Energiezufuhr Licht erzeugen. Genau diesen Effekt hat ein Forschungs­team um Christian Schneider und Sven Höfling für seine Experi­mente genutzt. 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.“

Mit solchen Zwei-Photonen-Quellen lassen sich Informa­tionen absolut abhör­sicher über­tragen. Dazu werden die Licht­teilchen mitein­ander ver­schränkt. 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.

In einer zweiten Studie demonstrieren die Forscher 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 weitere 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 Wissen­schaftler. 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.

JMU / RK