Wohlplatzierte Quantenlichtquelle

Bisherige Schaltkreise auf Chips bauen auf Elektronen als Informations­träger. Künftig könnten diese Aufgabe auch Photonen übernehmen, die in optischen Schaltkreisen mit Licht­geschwindigkeit Informationen übermitteln. Als Grund­bausteine solcher neuartigen Chips braucht man Quanten­lichtquellen, die dann mit Quantenlicht­wellenleitern und -detektoren verbunden werden. 
 

Einem internationalen Team um die Alexander Holleitner und Jonathan Finley von der TU München ist es nun gelungen, solche Quanten­lichtquellen in atomar dünnen Material­schichten zu erzeugen und nanometergenau zu platzieren. „Dies stellt einen ersten wichtigen Schritt in Richtung optischer Quantencomputer dar“, sagt Julian Klein, Erstautor der Studie. „Denn für künftige Anwendungen müssen die Lichtquellen an photonische Schaltkreise, etwa an Wellenleiter, gekoppelt werden, um lichtbasierte Quanten­berechnungen zu ermöglichen.“ 

Entscheidend dafür ist eine exakte und präzise steuerbare Platzierung der Lichtquellen. In konventionellen dreidimensionalen Materialien wie Diamant oder Silizium gibt es zwar auch aktive Quanten­lichtquellen, allerdings lassen sie sich dort nicht präzise platzieren.

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

Technisch von zentraler Bedeutung war dafür das neue Helium-Ionen-Mikroskop am Zentrum für Nano­technologie und Nanomaterialien des Walter Schottky-Instituts, mit dem sich solche Materialien mit einer bisher unerreichten örtlichen Auflösung bestrahlen lassen.

Das Team entwickelte gemeinsam mit Theoretikern der TUM, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Bremen ein Modell, um die beobachteten Energiezustände der Fehlstellen auch theoretisch zu beschreiben. Zukünftig 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 Bose-Hubbard-Modells, das versucht, komplexe Vorgänge in Festkörpern zu erfassen. Doch nicht nur in der Theorie könnte es Fortschritte geben, sondern auch hinsichtlich möglicher technischer Entwicklungen. Da den Lichtquellen immer der gleiche Defekt im Material zugrunde liegt, sind sie prinzipiell ununterscheidbar. Das ermöglicht Anwendungen, die auf dem quanten­mechanischen Prinzip der Verschränkung basieren. 

„Man kann unsere Quantenlichtquellen sehr elegant in photonische Schaltkreise integrieren“, sagt Klein. „Aufgrund der hohen Empfindlichkeit ließen sich beispielsweise für Smartphones Quanten-Sensoren bauen und extrem sichere Verschlüsselungs­technologien für die Datenübertragung entwickeln.“

TUM / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Klein et al.: Site-selectively generated photon emitters in monolayer MoS2 via local helium ion irradiation, Nat. Commun. 10, 2755 (2019); DOI: 10.1038/s41467-z
• Gruppe von Alexander W. Holleitner, Technische Universität München
• Gruppe von Jonathan J. Finley, Technische Universität München