Forschung Herstellungsverfahren für Quantenlichtquellen

Fehlstellen in dünnen Molybdänsulfid-Schichten, erzeugt durch Beschuss mit Helium-Ionen, können als Nano-Lichtquellen für die Quantentechnologie dienen.
Fehlstellen in dünnen Molybdänsulfid-Schichten, erzeugt durch Beschuss mit Helium-Ionen, können als Nano-Lichtquellen für die Quantentechnologie dienen.

An der TU München wurde ein auf wenige Nanometer präzises Herstellungsverfahren für Quantenlichtquellen entwickelt. Sie werden für photonische Schaltkreise benötigt.

Forscher wollen elektrische Schaltkreise gerne durch photonische ersetzen. Statt Elektronen als Informationsträger werden Photonen genutzt. Grundlage dafür sind Quantenlichtquellen, die mit Quantenlichtwellenleitern und -detektoren verbunden werden.

Einem internationalen Team um die TUM-Physiker Alexander Holleitner und Jonathan Finley ist es nun gelungen, solche Quantenlichtquellen in atomar dünnen Materialschichten zu erzeugen und nanometergenau zu platzieren. Anwendungspotenzial sieht Julian Klein, Erstautor der Studie, bei der Entwicklung von Quantencomputern. Die präzise Platzierung der Lichtquellen stelle einen ersten wichtigen Schritt dar, um Lichtquellen an photonische Schaltkreise zu koppeln.

In konventionellen dreidimensionalen Materialien wie Diamant oder Silizium gibt es zwar auch aktive Quantenlichtquellen, allerdings lassen sie sich dort nicht präzise platzieren.

Halbleiter als Ausgangsmaterial

Als Ausgangsmaterial verwendeten die Physiker nun eine nur eine Atomlage dünne Schicht des Halbleiters Molybdändisulfid (MoS2). Diese bestrahlten sie mit einem Helium-Ionenstrahl, den sie auf eine Fläche von weniger als einem Nanometer fokussierten. Um optisch aktive Defekte, die gewünschten Quantenlichtquellen, zu erzeugen, werden aus der Schicht Molybdän- oder Schwefel-Atome gezielt herausgelöst. Die Fehlstellen sind Fallen für Exzitonen, die dann die gewünschten Photonen emittieren.

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.

Nächster Schritt: Komplexe Lichtquellen

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 auch komplexere Lichtquellen-Muster erzeugen, etwa in lateralen zweidimensionalen Gitterstrukturen von Exzitonen, um so auch Vielteilchenphänomene oder exotische Materialeigenschaften zu untersuchen.

Dies ist die experimentelle Eintrittspforte in eine bislang nur theoretisch beschriebene Welt im Rahmen des sogenannten Bose-Hubbard-Modells, das versucht, komplexe Vorgänge in Festkörpern zu erfassen.

Quantensensoren, Transistoren und sichere Verschlüsselung

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.«