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Halbleiter-Forschung 10.11.2021, 14:06 Uhr
Ultradünne Kristalle werden Laser-Lichtquellen
Forscher der Universität Oldenburg stellen Kristalle her, die bei Raumtemperatur Licht abstrahlen. Sie könnten die Basis neuartiger Laser sein.
Aus nur drei Atomschichten aufgebaute Halbleiter könnten die Basis für neuartige Laser bilden, wie ein internationales Forscher-Team unter der Leitung von Physikern der Universität Oldenburg in der Zeitschrift «Nature Communications» beschreibt. Konkret geht es dabei um Kristalle, die bei Raumtemperatur Licht abstrahlen, das dem eines Lasers gleicht.
Wolframdiselenid genutzt
Bislang liessen sich vergleichbare Effekte nur im Vakuum und bei Temperaturen kurz über dem absoluten Temperaturnullpunkt erzeugen, so die Experten. «Der Übergang von diesen kryogenen Temperaturen zu Raumtemperatur bedeutet, dass diese zweidimensionalen Materialien viel interessanter für Anwendungen werden», sagt Forscher Christian Schneider.
Das Team hat Wolframdiselenid genutzt, eine Halbleiter-Klasse, die aus einem Übergangsmetall und einem der Elemente Schwefel, Selen oder Tellur besteht. «Einlagige Kristalle dieser Halbleiter interagieren sehr stark mit Licht und gelten seit einiger Zeit als mögliche Basis für Mikro- und Nanolaser», erläutert Schneiders Kollege Carlos Anton-Solanas. Erst im Mai hatte dasselbe Team in «Nature Materials» berichtet, dass eine Schicht des Materials Molybdän-Diselenid bei tiefen Temperaturen Laser-Licht erzeugt.
Licht und Elektronen gekoppelt
Die aktuelle Laser-Emission beruht auf physikalischen Objekten, die gleichzeitig aus Materie und Licht bestehen. Dabei handelt es sich um eine 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 sogenannten Exziton-Polaritonen kombinieren interessante Eigenschaften von Elektronen und Lichtteilchen. Wird die Zahl 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 ist einfarbig. Sie breitet sich zudem in eine bestimmte Richtung aus und ist in der Lage, sogenannte Interferenzen auszubilden, eine Eigenschaft, die in der Physik Kohärenz genannt wird. Um diesen Effekt für Wolframdiselenid nachzuweisen, hat das Team zunächst weniger als einen Milliardstel Meter (Nanometer) dicke Proben des Halbleiters hergestellt und platzierte diese zwischen geeigneten Spiegeln. Anschliessend stimulierten die Physiker die Kristalle mit Laserlicht und untersuchten die entstehenden Emissionen mit verschiedenen Verfahren.
Autor(in) Florian Fügemann, pte