Präzise platzierte Quantenlichtquellen Die wohl kleinsten Lampen der Welt

Hauchdünne Schichten aus wenigen Atomen zu Lichtquellen machen – dies gelingt einem internationalen Forscherteam durch präzise Laserbestrahlung. Damit lassen sich Quantenlichtquellen exakter einstellen als bisher, was neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet: von Quanten-Sensoren, Transistoren in Smartphones bis zu neuen Verschlüsselungstechnologien.

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Technische Universität München

München – 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 der Technischen Universität München 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. Denn für künftige Anwendungen müssen die Lichtquellen an photonische Schaltkreise, etwa an Wellenleiter, gekoppelt werden, um lichtbasierte Quantenberechnungen zu ermöglichen“, sagt Klein, Erstautor der Studie. 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.

Präzision in drei Atomlagen

Als Ausgangsmaterial ihrer Entwicklung verwendeten die Physiker eine nur drei Atomlagen dünne Schicht des Halbleiters Molybdändisulfid (MoS₂). Diese bestrahlten sie mit einem Helium-Ionenstrahl, den sie auf eine Fläche von weniger als einen Nanometer fokussierten. Wie mit einer extrem feinen Pinzette entfernen die Forscher mit diesem Präzisionslaser gezielt Molybdän- oder Schwefel-Atome aus der Halbleiterschicht und erzeugen so optische Defekte – die gewünschten Quantenlichtquellen. Die erzeugten Fehlstellen sind Fallen für so genannte Exzitonen, Elektronen-Loch-Paare, die dann Photonen emittieren können.

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.

Quantenzustand in Kunstdiamanten gemessen

Perfekt fehlerhafte Diamanten für Quanten-PCs

Werkzeug für komplexe Experimente

Das Team entwickelte gemeinsam mit Theoretikern der TUM, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Bremen ein Modell, um die beobachteten Energiezustände der Fehlstellen auch theoretisch zu beschreiben.

Zukünftig wollen die Forscher noch komplexere Lichtquellen-Muster erzeugen, etwa in lateralen zweidimensionalen Gitterstrukturen von Exzitonen, um so auch Vielteilchenphänomene oder exotische Materialeigenschaften zu untersuchen. Für sie stellt die Entwicklung ihrer Quantenlichtquelle die experimentelle Eintrittspforte in eine bislang nur theoretisch beschriebene Welt des Bose-Hubbard-Modells dar, das versucht, komplexe Vorgänge in Festkörpern zu erfassen.

Quantenverschlüsselte Smartphones?

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 unsere Quantenlichtquellen sehr elegant in photonische Schaltkreise integrieren“, sagt Klein. „Aufgrund der hohen Empfindlichkeit ließen sich beispielsweise für Smartphones Quanten-Sensoren bauen und extrem sichere Verschlüsselungstechnologien für die Datenübertragung entwickeln.“

Originalpublikation: J. Klein, M. Lorke, M. Florian, F. Sigger, L. Sigl, S. Rey, J. Wierzbowski, J. Cerne, K. Müller, E. Mitterreiter, P. Zimmermann, T. Taniguchi, K. Watanabe , U. Wurstbauer, M. Kaniber, M. Knap, R. Schmidt, J.J. Finley & A.W. Holleitner: Site-selectively generated photon emitters in monolayer MoS2 via local helium ion irradiation, Nature Communications, 10, 2755 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-10632-z

* Dr. A. Battenberg, Technische Universität München, 85748 Garching b. München

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