Extrem dünne Materialien, die nur aus wenigen Atomlagen bestehen, versprechen Anwendungen für die Elektronik und Quantentechnologien. Einem internationalen Team unter Leitung der TU Dresden ist nun mit einem Experiment am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ein bemerkenswerter Fortschritt gelungen: Den Experten gelang es, in einem ultradünnen Gehäuse einen extrem schnellen Schaltvorgang zwischen elektrisch neutralen und geladenen Leuchtteilchen zu induzieren , quasi zweidimensionales Material.
Das Ergebnis eröffnet neue Perspektiven für die Forschung sowie für die optische Datenverarbeitung und flexible Detektoren. Die Forschung ist präsentiert im Tagebuch Naturphotonik.
Zweidimensionale Halbleiter können im Vergleich zu konventionelleren Volumenkristallen grundlegend andere Eigenschaften aufweisen. Insbesondere ist es einfacher, sogenannte Exzitonenteilchen zu erzeugen: Wird ein bekanntermaßen negativ geladenes Elektron im Material durch Energieaufnahme angeregt, wird es aus seiner ursprünglichen Position entfernt. Es hinterlässt eine mobile Ladung – ein positiv geladenes „Loch“.
Elektronen und Löcher ziehen sich gegenseitig an und bilden zusammen einen gebundenen Zustand namens Exziton, eine Art elektronisches Paar. Befindet sich ein anderes Elektron in der Nähe, wird es zu ihm hingezogen und bildet einen Drei-Teilchen-Zustand – im Fachjargon Trion genannt. Das Besondere am Trion ist die Kombination von elektrischer Ladung mit starker Lichtemission, die eine gleichzeitige elektronische und optische Steuerung ermöglicht.
Das Zusammenspiel von Exziton und Trion gilt seit geraumer Zeit als Schaltvorgang, der sowohl an sich faszinierend ist als auch für zukünftige Anwendungen interessant sein könnte. Tatsächlich ist es vielen Laboren bereits gelungen, gezielt zwischen den beiden Zuständen zu wechseln – allerdings bisher mit begrenzten Schaltgeschwindigkeiten.
Die Studie wurde von Prof. Alexey Chernikov von der TU Dresden geleitet und HZDR-Physiker Dr. Stephan Winnerl konnte diesen Wechsel nun deutlich beschleunigen. Die Arbeiten wurden im Rahmen des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters „Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien, ct.qmat“ durchgeführt. Forscher aus Marburg, Rom, Stockholm und Tsukuba leisteten wichtige Beiträge zum Projekt.
Erst fangen, dann trennen
Die Experimente fanden in einer speziellen Anlage am HZDR statt. Der Freie-Elektronen-Laser FELBE liefert intensive Terahertz-Pulse – ein Frequenzbereich, der zwischen Radiowellen und nahinfraroter Strahlung liegt. Die Forscher bestrahlten zunächst eine atomar dünne Schicht Molybdändiselenid bei kryogenen Temperaturen mit kurzen Laserpulsen und erzeugten so die Exzitonen. Sobald sie erzeugt wurden, fing jedes Exziton ein Elektron von denen ein, die bereits in ausreichender Zahl im Material vorhanden waren, und wurde so zu Trionen.
„Als wir dann Terahertz-Pulse auf das Material schoss, bildeten sich die Trionen extrem schnell wieder zu Exzitonen“, erklärt Winnerl. „Wir konnten es zeigen, weil Exzitonen und Trionen Nahinfrarotstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge aussendeten.“
Ausschlaggebend für das Experiment war die passende Frequenz der Terahertz-Pulse, um die schwache Bindung zwischen Exziton und Elektron aufzubrechen – so entstand wieder ein Paar bestehend aus nur einem Elektron und einem Loch. Kurz darauf fängt dieses Exziton ein weiteres Elektron ein und wird wieder zum Trion.
Die Aufspaltung in Exzitonen erfolgte in Rekordgeschwindigkeit. Die Verbindung wurde innerhalb weniger Pikosekunden – Billionstelsekunden – gebrochen. „Das ist fast tausendmal schneller als bisher mit rein elektronischen Methoden möglich und kann bei Bedarf mit Terahertz-Strahlung erzeugt werden“, betont TU-Wissenschaftler Chernikov.
Die neue Methode bietet interessante Perspektiven für die Forschung. Der nächste Schritt könnte darin bestehen, die demonstrierten Prozesse auf eine Vielzahl komplexer elektronischer Zustände und Materialplattformen auszudehnen. Ungewöhnliche Quantenzustände der Materie, die durch die starke Wechselwirkung vieler Teilchen entstehen, rücken damit ebenso in greifbare Nähe wie Anwendungen bei Raumtemperatur.
Perspektiven für Datenverarbeitung und Sensorik
Die Ergebnisse könnten auch für zukünftige Anwendungen nützlich sein, beispielsweise in der Sensorik oder der optischen Datenverarbeitung.
„Denkbar wäre es, den Effekt für neuartige Modulatoren mit schneller Umschaltung anzupassen“, erklärt Winnerl. „In Kombination mit den ultradünnen Kristallen könnten damit Bauteile entwickelt werden, die sowohl äußerst kompakt sind als auch in der Lage sind, optisch kodierte Informationen elektronisch zu steuern.“
Ein weiteres Feld wären Anwendungen in der Detektion und Bildgebung technologisch relevanter Terahertz-Strahlung.
„Basierend auf den nachgewiesenen Schaltvorgängen in atomar dünnen Halbleitern könnte es langfristig möglich sein, Detektoren zu entwickeln, die im Terahertz-Bereich arbeiten, in einem weiten Frequenzbereich einstellbar sind und als Terahertz-Kameras mit einer großen Anzahl von Signalen realisiert werden könnten Pixel“, schlägt Chernikov vor. „Grundsätzlich sollte bereits eine vergleichsweise geringe Intensität ausreichen, um den Schaltvorgang auszulösen.“
Die Umwandlung von Trionen in Exzitonen führt zu charakteristischen Änderungen der emittierten Wellenlänge des nahen Infrarotlichts. Dies zu erkennen und in Bilder umzuwandeln wäre ziemlich einfach und könnte mit bereits vorhandener, hochmoderner Technologie erreicht werden.
Weitere Informationen:
Tommaso Venanzi et al., Ultraschnelles Schalten von Trionen in 2D-Materialien durch Terahertz-Photonen, Naturphotonik (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01512-0