Forschung & Entwicklung

Quantenlichtquellen ebnen den Weg zu optischen Schaltkreisen

Lichtquellen in atomar dünnen Materialschichten ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen in den Quantentechnologien, von Quantensensoren, Transistoren in Smartphones bis zu Verschlüsselungstechnologien für die Datenübertragung.

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 Physiker Alexander Holleitner und Jonathan Finley von der Technischen Universität München (TUM) 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 nun eine nur eine Atomlage dünne Schicht des Halbleiters Molybdändisulfid (MoS2). Diese bestrahlten sie mit einem Heliumionenstrahl, 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 Schwefelatome gezielt herausgelöst. Die Fehlstellen sind Fallen für sogenannte 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, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching und der Universität Bremen ein Modell, um die beobachteten Energiezustände der Fehlstellen auch theoretisch zu beschreiben.

Zukünftig wollen die Forscher auch komplexere Lichtquellenmuster 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 sogenannten 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 die Quantenlichtquellen in photonische Schaltkreise integrieren. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit ließen sich beispielsweise für Smartphones Quantensensoren bauen und extrem sichere Verschlüsselungstechnologien für die Datenübertragung entwickeln.

von mn

Originalveröffentlichung:

[J. Klein et al., Site-selectively generated photon emitters in monolayer MoS2 via local helium ion irradiation, Nat. Commun. 10 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-10632-z]

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