Festkörperlaser Atomschichten pflastern den Weg zum kleinsten Festkörperlaser

Redakteur: Peter Königsreuther

Oldenburger Forschern ist es im Rahmen eines internationalen Projekts gelungen, aus atomdünnen Halbleiterschichten laserartiges Licht zu erzeugen.

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Kristalle, die aus einer einzigen Schicht von Atomen bestehen (Bildmitte) und zwischen „Spiegeln“ platziert sind, lassen sich durch Laserlicht in einen exotischen Quantenzustand versetzen. So könnte man den kleinsten möglichen Festkörperlaser aufbauen.
Kristalle, die aus einer einzigen Schicht von Atomen bestehen (Bildmitte) und zwischen „Spiegeln“ platziert sind, lassen sich durch Laserlicht in einen exotischen Quantenzustand versetzen. So könnte man den kleinsten möglichen Festkörperlaser aufbauen.
(Bild: J. Michl)

Nahe des absoluten Nullpunkts reagiert Materie nicht mehr wie gewohnt. Teilchen geben etwa ihre Eigenständigkeit aufgeben. Für kurze Zeit werde sie dann zu einem einzigen Objekt mit identischen Eigenschaften – zu einem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat. Einem internationalen Team um die Oldenburger Physiker Dr. Carlos Anton-Solanas und Prof. Dr. Christian Schneider ist es nun erstmals gelungen, diesen ungewöhnlichen Quantenzustand in Ladungsträgerkomplexen zu erzeugen, die eng mit Lichtteilchen verbunden sind. Sie befinden sich in extrem dünnen Halbleiterschichten aus einer einzigen Atomlage. Dabei entsteht nach Aussage de Forschenden Licht, das dem eines Lasers gleicht. Man glaubt nun, dass man so die kleinsten denkbaren Festkörperlaser bauen kann, wie das Team der Zeitschrift Nature Materials erklärt hat.

Ein Käfig für Lichtteilchen macht es möglich

Im Fokus stehen Objekte, die sowohl aus Materie als auch aus Licht bestehen – sogenannte Exziton-Polaritonen. Dabei handelt es sich um eine Kopplung aus angeregten Elektronen in Festkörpern und Lichtteilchen. Sie entstehen, wenn Elektronen durch Laserlicht in einen Zustand höherer Energie versetzt werden erklären die Experten. Nach Sekundenbruchteilen geben die Elektronen die Lichtteilchen wieder ab. Wenn die Lichtteilchen zwischen zwei Spiegeln gefangen werden, können sie neue Elektronen anregen – ein Zyklus, der sich fortsetzt, bis das Lichtteilchen der Falle entkommt.

Das Team um die beiden Forscher befasste sich dabei speziell mit Exziton-Polaritonen in extrem dünnen Kristallen aus einer einzigen Lage von Atomen aus Molybdän-Diselenid, die weniger als ein Nanometer dick ist. Das verwendete Halbleitermaterial reagiert etwa sehr empfindlich auf Licht, heißt es. Diesen zweidimensionalen Kristall platzierte man zwischen zwei eng beieinanderliegenden Schichten aus Materialien, die wie ein Spiegel wirken. „Diese Struktur ist so etwas wie ein Käfig für Licht“, sagt Anton-Solanas. Fachleute sprechen von einer „Mikrokavität“.

Noch muss es unter extremer Kälte ablaufen

Die Forschenden kühlten ihren Aufbau dann nahe an den absoluten Nullpunkt herunter. Mit kurzen Laserblitzen erzeugten sie Exziton-Polaritonen. Ab einer bestimmten Intensität beobachteten sie, dass die Lichtemissionen ihrer Probe schlagartig anstiegen. Theoretisch könnte sich dieses Phänomen nutzen lassen, um kohärente Lichtquellen aufzubauen, die nur auf einer einzigen Scheibe von Atomen basieren. Anders gesagt, könnte man dami den kleinstmöglichen Festkörperlaser erzeugt. Die Forscher sind außerdem zuversichtlich, dass sich der Effekt mit anderen Materialien auch bei Raumtemperatur erzeugen lässt.

Die Erkenntnisse könnten die Prozessortechnik revolutionieren

Bauteile, die diese neuartigen Licht-Materie-Zustände kontrollieren könnten, wären eine Revolution im Bereich neuartiger Elektronikschaltkreise. Das seien dann optoelektronische Schaltkreise, die mit Licht statt mit elektrischem Strom betrieben werden. Informationen könnten damit besser und schneller verarbeitet werden als mit üblichen Prozessoren, heißt es weiter.

Die Studie ist ein Ergebnis des Projekts „unlimit2D“ unter Leitung von Christian Schneider, das der Europäische Forschungsrat (ERC) mit einem „Starting Grant“ fördert. Die Experimente fanden an der Universität Würzburg statt.

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