Forschung

Extrem dünne Kristalle als Laser-Lichtquellen

04.11.2021 - Laser-Emission aus einem Halbleiter mit drei Atomschichten bei Raumtemperatur nachgewiesen.

Kristalle, die aus drei Lagen von Atomen bestehen, können bei Raum­temperatur Licht abstrahlen, das dem eines Lasers gleicht. Diese neuartigen Materialien haben damit das Potenzial, als Licht­quellen in miniatu­ri­sierten Schalt­kreisen oder auch in zukünftigen Quanten-Anwendungen zum Einsatz zu kommen. Das berichtet ein inter­nationales Team um Hangyon Shan, Christian Schneider und Carlos Anton-Solanas von der Uni Oldenburg.

 

Bislang ließen sich vergleich­bare Effekte nur im Vakuum und bei Temperaturen kurz über dem absoluten Temperatur­nullpunkt erzeugen. „Der Übergang von diesen kryogenen Temperaturen zu Raum­temperatur bedeutet, dass diese zwei­dimen­sionalen Materialien viel interes­santer für Anwendungen werden“, sagt Schneider, der an der Uni Oldenburg die Arbeits­gruppe Quanten­materialien leitet.

Das Team nutzte für die Unter­suchungen die Verbindung Wolfram­di­selenid. Dieser Stoff gehört zu einer Klasse von Halb­leitern, die aus einem Übergangs­metall und einem der Elemente Schwefel, Selen oder Tellur bestehen. „Einlagige Kristalle dieser Halbleiter inter­agieren sehr stark mit Licht und gelten seit einiger Zeit als mögliche Basis für Mikro- und Nanolaser“, erläutert Anton-Solanas. Erst im Mai hatte dasselbe Team berichtet, dass eine Schicht des Materials Molybdän-Diselenid bei tiefen Temperaturen Laser-Licht erzeugt.

Nun haben die Forscher den nächsten Meilen­stein erreicht und den gleichen Effekt bei Raum­temperatur erzeugt. Die Laser-Emission beruht auf Exziton-Polaritonen, einer Kopplung zwischen Licht­teilchen und angeregten Elektronen. Diese Objekte entstehen, wenn Elektronen in Fest­körpern in einen Zustand höherer Energie versetzt werden, zum Beispiel durch Laser­licht. Nach Bruch­teilen einer Sekunde geben sie wieder ein Licht­teilchen ab. Wenn dieses zwischen zwei Spiegeln gefangen wird, kann es wiederum ein neues Elektron anregen – ein Zyklus, der sich fortsetzt, bis ein Licht­teilchen aus der Falle entkommt. Die so entstandenen Exziton-Polaritonen kombinieren interes­sante Eigen­schaften von Elektronen und Photonen.

Besonders interessant dabei: Wird die Anzahl der Exziton-Polaritonen groß genug, verhalten sie sich nicht länger als einzelne Teilchen, sondern verschmelzen zu einem makro­skopischen Quanten­zustand. Diese Verwandlung lässt sich anhand plötzlich ansteigender Licht­emission aus einer Probe nach­weisen. Die erzeugte Strahlung hat wie das Licht eines Lasers nur eine einzige Wellen­länge. Sie breitet sich zudem in eine bestimmte Richtung aus und ist kohärent.

Um diesen Effekt für Wolfram­di­selenid nach­zu­weisen, stellte das Team zunächst weniger als einen Nanometer dicke Proben des Halb­leiters her und platzierte diese zwischen geeigneten Spiegeln. Anschließend stimulierten die Physiker die Kristalle mit Laser­licht und unter­suchten die entstehenden Emissionen mit verschiedenen Verfahren. Dabei fanden sie starke Hinweise darauf, dass die Strahlung von Objekten stammen muss, die sowohl Eigen­schaften von Licht als auch von Materie aufweisen. Sie schließen daraus, dass sich in dem Halb­leiter tatsächlich Exziton-Polaritonen gebildet hatten. Zudem fanden die Forscher Anzeichen dafür, dass diese Teilchen zu einem gemeinsamen makro­skopischen Quanten­zustand verschmolzen waren.

„Unsere Ergebnisse stützen die Hoffnung, dass zwei­dimen­sionale Materialien als Plattform für neuartige Nanolaser geeignet sind, die auch bei Raum­temperatur funktionieren – ein Ziel, das verschiedene Gruppen weltweit seit rund zehn Jahren verfolgen“, erläutert Schneider. Im Mai dieses Jahres hatte ein anderes Team ebenfalls Hinweise für kohärente Laser-Emissionen von Exziton-Polaritonen in einlagigen Kristallen bei Raum­temperatur entdeckt. „Das bestärkt uns darin, dass unsere Resultate korrekt sind“, sagt Anton-Solanas. Die starke Wechsel­wirkung zwischen Licht und zwei­dimen­sionalen Materialien hat überdies besondere Eigen­schaften, die sie interessant für Schalt­kreise macht, in denen Licht elektrische Ströme kontrol­lieren könnte.

U. Oldenburg / RK

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