Forschung & Entwicklung

Quantenleuchten dünner Schichten

Wolfram-Diselenidschichten senden spezielles Quantenlicht aus. Anhand von Computersimulationen konnten die Ursachen nun analysiert werden.

Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann beginnt es auf merkwürdige Weise zu leuchten. Zusätzlich zu ganz gewöhnlichem Licht, wie man es auch von anderen Halbleitermaterialien kennt, misst man bei Wolfram-Diselenid auch noch eine ganz spezielle Art von extrem hellem Quantenlicht, das nur von ganz bestimmten Punkten des Materials abgestrahlt wird. Es besteht aus einer Serie von Photonen, die regelmäßig immer einzeln ausgesandt werden – niemals zu zweit oder in größeren Gruppen. Für Experimente im Bereich von Quanteninformation und Quantenkryptographie, bei denen man mit einzelnen Photonen arbeiten möchte, ist das perfekt. Allerdings war bisher nicht bekannt, wie dieser Effekt zustande kommt. An der TU Wien fand man nun die Lösung für den Effekt.

Wolfram-Diselenid ist ein sogenanntes 2-D-Material, das extrem dünne Schichten bildet. Solche Schichten sind nur drei Atomlagen dick: In der Mitte befinden sich die Wolframatome, darüber und darunter sind die Selenatome angekoppelt. „Wenn man der Schicht Energie zuführt, etwa indem man eine elektrische Spannung anlegt oder indem man es mit Licht der richtigen Wellenlänge bestrahlt, dann beginnt sie zu leuchten“, erklärt Lukas Linhart vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. Das ist noch nicht ungewöhnlich, das können viele Materialien. Doch eine genaue Analyse des Lichts von Wolfram-Diselenid zeigte, dass zusätzlich zum gewöhnlichen Licht auch noch eine weitere, quantenphysikalisch ganz besondere Art von Licht nachzuweisen ist, und dass diese Sorte Licht ganz ungewöhnliche Eigenschaften aufweist.

Dieses spezielle Quantenlicht besteht aus Photonen ganz bestimmter Wellenlängen – und niemals misst man zwei Photonen derselben Wellenlänge gleichzeitig, sie werden immer einzeln ausgesandt. „Das sagt uns, dass diese Photonen nicht kollektiv vom ganzen Material erzeugt werden können, sondern dass es bestimmte Punkte in der Wolfram-Diselenidoprobe geben muss, die sehr viele dieser Photonen produzieren, eins nach dem anderen“, erklärt Professor Florian Libisch, von der TU Wien.

Um das zu verstehen, muss man das Verhalten der Elektronen im Material auf quantenphysikalischer Ebene genau analysieren: Elektronen können sich im Wolfram-Diselenid in unterschiedlichen Energiezuständen befinden. Wechselt ein Elektron von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie, wird ein Photon ausgesandt. Allerdings ist dieser Sprung zu einer niedrigeren Energie nicht immer und überall erlaubt: Das Elektron muss sich dabei an bestimmte Gesetze halten – an Impuls- und Drehimpulserhaltung.

Wenn sich ein Elektron in einem Zustand hoher Energie befindet, muss es zunächst dort bleiben. Durch bestimmte Störungen im Material können sich die Energiezustände aber deutlich verändern. Eine Wolfram-Diselenidschicht sei niemals perfekt. An manchen Stellen fehle ein Selenatom, oder auch mehrere, erklärt Lukas Linhart. Dadurch ändere sich auch die Energie der Elektronenzustände in diesem Bereich. Außerdem ist die Materialschicht in der Praxis keine perfekte Ebene. Wolfram-Diselenid dehnt sich lokal, wenn die Materialschicht auf kleinen Trägerstrukturen aufgehängt ist. Diese mechanischen Spannungen haben ebenfalls eine Auswirkung auf die Energiezustände der Elektronen.

„Das Zusammenspiel von Materialfehlern und lokalen Dehnungen ist kompliziert. Uns ist es nun allerdings gelungen, beides gemeinsam am Computer zu simulieren“, sagt Lukas Linhart. „Und dabei zeigte sich, dass nur die Kombination dieser Effekte die merkwürdigen Lichteffekte erklären kann.“ Dort, wo Materialfehler und Oberflächendehnungen zusammentreffen, ändern sich die Energieniveaus der Elektronen, sodass es den Elektronen genau an diesen Stellen physikalisch erlaubt ist, von einem hohen in einen niedrigen Energiezustand zu wechseln und ein Photon auszusenden. Weil quantenphysikalisch niemals zwei Elektronen genau im selben Zustand sein können, müssen die Elektronen diesen Prozess einzeln und nacheinander durchlaufen, und das führt auch zu einzeln nacheinander ausgesendeten Photonen. Gleichzeitig sorgt die Dehnung des Materials dafür, dass sich weitere Elektronen in der Nähe sammeln, und somit nach Aussenden eines Photons gleich wieder ein weiteres passendes Elektron nachrückt, das dann für das nächste Photon sorgt.

Das Ergebnis ist ein weiterer Beleg dafür, dass 2-D-Materialien, die nur aus einer atomar dünnen Schicht bestehen, hochinteressante neue Effekte ermöglichen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[L. Linhart et al., Localized Intervalley Defect Excitons as Single-Photon Emitters in WSe2, Phys. Rev. Lett. 123 (2019), DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.146401]

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