Einlagige Kristalle, die zwischen geeigneten Spiegeln platziert werden, können bei Raumtemperatur dazu gebracht werden, Laserlicht zu emittieren.

Extrem dünne Kristalle als Laser-Lichtquellen

Publiziert

Laser-Emission bei Raumtemperatur nachgewiesen: Halbleiter aus drei Atomschichten könnten Basis für neuartige Laser bilden.

Kristalle, die nur 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 die Oldenburger Physiker Dr. Hangyon Shan, Prof. Dr. Christian Schneider und Dr. Carlos Anton-Solanas in der Zeitschrift Nature Communications. 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 Universität 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 in der Zeitschrift Nature Materials 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 physikalischen Objekten, die gleichzeitig aus Materie und Licht bestehen – sogenannte Exziton-Polaritonen. 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 Exziton-Polaritonen kombinieren interessante Eigenschaften von Elektronen und Lichtteilchen (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 ist sozusagen einfarbig. Sie breitet sich zudem in eine bestimmte Richtung aus und ist in der Lage, so genannte Interferenzen auszubilden, eine Eigenschaft, die in der Physik Kohärenz genannt wird.   

Um diesen Effekt für Wolframdiselenid nachzuweisen, stellte das Team zunächst weniger als einen Milliardstel Meter (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 Forschenden 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.

Originalveröffentlichung

  • Hangyong Shan et al; "Spatial coherence of room-temperature monolayer WSe2 exciton-polaritons in a trap"; Nat Commun; 12, 6406 (2021).

EVENTS

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 30. Mai - 03. Juni 2022

Ort: München (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 31. Mai - 02. Juni 2022

Ort: Stuttgart (D)

NORTEC

Fachmesse für Produktionstechnik und Maschinenbau

Datum: 31. Mai - 03. Juni 2022

Ort: Hamburg (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 01. - 02. Juni 2022

Ort: Bern (CH)

GS1 Excellence Days

Informieren – Inspirieren – Vernetzen

Datum: 08. - 09. Juni 2022

Ort: Kursaal Bern (CH)

aqua pro

B2B-Plattform in der Schweiz für Fachkräfte des Globalen Wasserkreislaufs

Datum: 08. - 10. Juni 2022

Ort: Bulle (CH)

EPHJ-EPMT-SMT

Interantionale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 14. - 17. Juni 2022

Ort: Palexpo Genf (CH)

analytica

Leitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 21. - 24. Juni 2022

Ort: München (D)

Automatica

Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 21. - 24. Juni 2022

Ort: München (D)

Topsoft

Inspiring Digital Business

Datum: 22. - 23. Juni 2022

Ort: Umwelt Arena Schweiz Spreitenbach (CH)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 30. August - 01. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 31. August - 01. September 2022

Ort: Zürich (CH)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 05. - 07. September 2022

Ort: Bern (CH)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 14. - 17. September 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 28. - 29. September 2022

Ort: Lausanne (CH)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 04. - 06. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

IN.STAND

Die Fachmesse für Instandhaltung und Services

Datum: 18. - 19. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

K Messe

Weltleitmesse für Kunststoff- und Kautschukindustrie

Datum: 19. - 26. Oktober 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Ifas

Fachmesse für Gesundheitsmarkt

Datum: 25. - 27. Oktober 2022

Ort: Digital (CH)

Medica

Die Weltleitmesse der Medizinbranche

Datum: 14. - 17. November 2022

Ort: Düsseldorf (D)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

Datum: 15. - 18. November 2022

Ort: München (D)

Compamed

Schmelztiegel für High-Tech-Lösungen in der Medizintechnik

Datum: 14. - 17. November 2022

Ort: Düsseldorf (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 15. - 18. November 2022

Ort: München (D)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 21. - 24. November 2022

Ort: Paris (F)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 23. - 24. November 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 29. November - 01. Dezember 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 25. - 26. Januar 2023

Ort: Zürich (CH)

LOGISTICS & AUTOMATION

Schweizer Fachmesse für Logistik und Transport

Datum: 25. - 26. Januar 2023

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 15. - 16. Februar 2023

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 15. - 16. Februar 2023

Ort: Zürich (CH)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 15. - 16. Februar 2023

Ort: Zürich (CH)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04. - 10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

LABVOLUTION

Als europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows bildet die LABVOLUTION das gesamte Spektrum der Laborwelt ab und zeigt neue Wege für Anwenderbranchen auf.

Datum: 09. - 11. Mai 2023

Ort: Messegelände Hannover (D)

NEWCAST

Internationale Fachmesse für Gussprodukte mit Newcast Forum

Datum: 12. - 16. Juni 2023

Ort: Düsseldorf (D)

AM Expo

Fachmesse und Symposium: Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 12. - 13. September 2023

Ort: Luzern (CH)

Swiss Medtech Expo

Fachmesse und Symposium: Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 12. - 13. September 2023

Ort: Luzern (CH)

Partec

Internationales Forum für Forschung und Entwicklung in der Partikeltechnik

Datum: 26. - 28. September 2023

Ort: Nürnberg (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 27. - 29. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

Fakuma

Internationale Fachmesse für Kunststoffverarbeitung

Datum: 17. - 21. Oktober 2023

Ort: Friedrichshafen (D)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 24. - 27. Oktober 2023

Ort: Düsseldorf (D)

BrauBeviale

Europäische Fachmesse für die Getränkewirtschaft

Datum: 14. – 16. November 2023

Ort: Nürnberg (D)

Bezugsquellenverzeichnis