Schaltprozesse im Pikosekundenbereich 2D-Materialien für schnelle optische Datenverarbeitung

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Forscher erzielten einen Durchbruch in der Manipulation von zweidimensionalen Materialien. Mit extrem schnellen Schaltprozessen zwischen neutralen und geladenen Teilchen eröffnen sich neue Möglichkeiten für kompakte Modulatoren, Terahertz-Detektoren und Anwendungen in der optischen Datenverarbeitung.

Einem internationalen Team unter Leitung der TU Dresden mit einem Experiment am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ein bemerkenswerter Fortschritt gelungen. Die Fachleute konnten in einem ultradünnen zweidimensionalen Material einen überaus schnellen Schaltprozess zwischen elektrisch neutralen und geladenen leuchtenden Teilchen hervorrufen. Zweidimensionale Materialien, sogenannte 2D-Materialien, sind nur eine oder wenige Atomlagen dick. Sie haben zwei Dimensionen – eine Länge und eine Breite. Die Dicke ist vernachlässigbar. Dank dieses Aufbaus haben sich besondere elektronische, optische und mechanische Eigenschaften, die in dreidimensionalen (3D) Volumenkristallen nicht vorkommen.

Wird im Material ein Elektron, das negativ geladen ist, durch Energiezufuhr angeregt, kann es seinen angestammten Platz verlassen. Dabei hinterlässt es eine bewegliche Ladung – ein positiv geladenes Loch. Dieses Konzept aus der Halbleiterphysik beschreibt das Fehlen eines Elektrons in einem Festkörper.

Elektrische Ladung und Lichtabstrahlung

Beide ziehen sich gegenseitig an und bilden gemeinsam ein Exziton, eine Art elektronisches Paar. Sollte ein weiteres Elektron in der Nähe sein, wird es vom Pärchen angezogen, um einen Dreiteilchenzustand zu bilden – in der Fachsprache Trion genannt. Das Besondere an dem Trion ist die Kombination elektrischer Ladung mit starker Lichtabstrahlung, was gleichzeitig eine elektronische und eine optische Ansteuerung erlaubt.

Schon länger sieht die Fachwelt in dem Wechselspiel von Exziton und Trion einen Schaltprozess, der sowohl an sich extrem spannend ist als auch in Zukunft interessante Anwendungen erlauben könnte. Tatsächlich gelang es in vielen Labors bereits, gezielt zwischen beiden Zuständen zu wechseln – bisher jedoch mit begrenzten Schaltgeschwindigkeiten. Ein internationales Team um Prof. Alexey Chernikov von der TU Dresden und HZDR-Physiker Dr. Stephan Winnerl konnte dieses Schalten nun erheblich beschleunigen. Die Arbeiten fanden im Rahmen des Würzburg-Dresden Exzellenzclusters „Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien, ct.qmat“ statt. Daran beteiligt waren zudem Forscher aus Marburg, Rom, Stockholm und Tsukuba.

Licht erzeugt Exzitonen im hauchdünnen Material

Der Freie-Elektronen-Laser FELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ist in der Lage, sehr präzise und intensive Terahertz-Pulse zu erzeugen. Terahertz-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Funkwellen und Infrarotstrahlung (rund 0,1 bis 10 THz) und eignet sich für Untersuchungen von schnellen Prozessen in Materialien. Bei ihrem Versuch beleuchteten die Forscher zunächst eine einatomige, stark gekühlte Schicht aus Molybdän-Diselenid mit gepulster Lichtstrahlung. Dieses Licht erzeugte Exzitonen in dem hauchdünnen Material. Kaum entstanden, fingen sich die Exziton-Paare jeweils eines der Elektronen ein, die sich in dem 2D-Material in ausreichender Zahl tummelten – und wurden dadurch zu Trionen.

„Als wir dann Terahertz-Pulse auf das Material schossen, bildeten sich die Trionen extrem schnell zu Exzitonen zurück“, beschreibt Winnerl. „Nachweisen konnten wir das, weil Exzitonen und Trionen unterschiedliche Strahlung im nahen Infrarot abgaben.“ Entscheidend war bei dem Experiment, dass die Terahertz-Pulse die passende Frequenz besaßen, um die schwache Bindung zwischen Exziton und Elektron zu lösen – und so entstand wieder ein Paar aus nur einem Elektron und einem Loch. Bald darauf fängt dieses Exziton wieder ein Elektron ein und wird erneut zum Trion.

Trennung erfolgte innerhalb von Pikosekunden

Die Trennung von Trionen und Exzitonen innerhalb von Pikosekunden (eine Billionstelsekunde) ist äußerst schnell. Terahertz-Pulse eignen sich gut für ultraschnelle Prozesse, da ihre Frequenz im Bereich von Billionen Zyklen pro Sekunde liegt. Diese hohe Frequenz ermöglicht eine schnelle Wechselwirkung mit den schwach gebundenen Teilchen in zweidimensionalen Materialien. „Das ist nahezu tausendmal schneller, als es bislang mit rein elektronischen Methoden möglich war und kann bei Bedarf mit der Terahertz-Strahlung erzeugt werden“, betont TU-Forscher Chernikov.

Ein nächster Schritt könnte sein, die aufgezeigten Prozesse auf eine Vielzahl komplexer elektronischer Zustände und Materialplattformen auszuweiten. Ungewöhnliche Quantenzustände der Materie, die als Zusammenspiel vieler Teilchen entstehen, würden damit ebenso in Reichweite rücken wie Anwendungen bei Raumtemperatur.

Sinnvoller Einsatz möglich?

Das Resultat könnte in Zukunft auch technische Anwendungen möglich machen, etwa in der Sensorik oder optischen Datenverarbeitung „Denkbar wäre, den Effekt als Basis für neuartige Modulatoren zu verwenden, die schneller schalten können“, erläutert Winnerl. „In Verbindung mit den ultradünnen Kristallen ließen sich Bauelemente entwickeln, die sowohl extrem kompakt sind als auch optisch kodierte Informationen elektronisch steuern können.“

Modulatoren werden verwendet, um Signale in optischen Kommunikationssystemen zu modulieren, also die Eigenschaften des Lichts, wie beispielsweise Intensität, Phase oder Frequenz, zu verändern. Damit ließen sich Informationen übertragen. Da diese Schaltprozesse im Pikosekundenbereich stattfinden, können solche Modulatoren theoretisch deutlich schnellere Datenverarbeitung und -übertragung ermöglichen.

Ein weiteres Feld wären Anwendungen bei der Detektion technologisch wichtiger Terahertz-Strahlung inklusiver bildgebender Verfahren. „Mit den neuen Schaltprozessen in atomar-dünnen Halbleitern ließen sich vielleicht langfristig Detektoren entwickeln, die im Terahertz-Bereich arbeiten, in einem breiten Frequenzbereich einstellbar sind und sich als Terahertz-Kameras mit vielen Pixeln realisieren ließen“, schätzt Chernikov.

„Schließlich sollte auch eine vergleichsweise kleine Intensität genügen, um den Schaltprozess auszulösen.“ Bei diesem Umschalten von Trion auf Exziton ändert sich das ausgestrahlte Licht im nahen Infrarot-Bereich. Das nachzuweisen und in Bilder umzuwandeln, wäre ziemlich einfach und ließe sich mit bewährter Technik bewerkstelligen. (heh)

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