Smartes Licht und Quantencomputer sind schon schwer sich vorzustellen und das alles auch noch auf atomarer Gitterebene. Das Technion hat wieder einmal eine erfolgreiche Grundlagenforschung betrieben, die wahrscheinlich die Grundlage für Computerchips der Zukunft sein werden.
Neue Lichtquelle und Nano-Antennen
Forscher des Technion – Israel Institute of Technology haben eine neue Lichtquelle entwickelt, die auf einer einzigen Atomlage basiert. Die Entdeckung basiert auf der Wechselwirkung einer einzelnen Atomlage mit Nano-Antennenanordnungen in einem Siliziumchip durch die Erzeugung von Defekten in photonischen Kristallen.
Die in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlichte Entwicklung ermöglicht die Kontrolle des Spins von emittierten Photonen aus zweidimensionaler Materie und ebnet den Weg für neue photonische Bauelemente, die auf “Spin-Optik im atomaren Maßstab” basieren.
Die Studie wurde in der Forschungsgruppe von Professor Erez Hasman, Leiter des Laboratoriums für Photonik im Atommaßstab, in Zusammenarbeit mit Professor Elad Koren, Leiter des Labors für elektronische Materialien und Bauelemente im Nanomaßstab in der Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, durchgeführt.
Beide Gruppen sind mit dem Helen Diller Quantum Center und dem Russell Berrie Nanotechnology Institute verbunden. Dr. Kexiu Rong und Dr. Bo Wang führten und leiteten die Forschung und arbeiteten mit Dr. Elhanan Magid, Dr. Vladimir Kleiner, Avi Reuven, Bar Cohn und Shaul Katznelson zusammen.
Alles begann mit Klebepapier
Was sind zweidimensionale Materialien? Laut Prof. Koren “wurde 2004 erstmals die Möglichkeit untersucht, eine einzelne Atomlage zu erzeugen, als die Physiker Andre Geim und Konstantin Novoselov, spätere Nobelpreisträger für Physik (2010), eine einfache Methode zur Erzeugung einzelner Schichten aus Kohlenstoffatomen entwickelten. Die beiden befestigten Klebepapier an einem Stück Graphit und schälten das Material Schicht für Schicht ab, bis man eine einzige Schicht von Atomen namens Graphen erhielt. Sie zeigten auch, dass sich die atomare Schicht der Materie in ihren Eigenschaften stark von den Eigenschaften der Materie in ihrer dreidimensionalen Form unterscheidet. Es handelt sich um ein Material, das 100-mal stärker als Stahl ist und außergewöhnliche elektrische Eigenschaften aufweist, und Schätzungen zufolge wird es voraussichtlich Leiter und Halbleiter, Monitore und Bildschirme, Solarzellen und vieles mehr revolutionieren. Nach dieser Entdeckung wurden Atomschichten aus anderen Materialien entwickelt, die ebenfalls überraschende und einzigartige Eigenschaften aufweisen”.
Der Graphen – Das 2D Material
Professor Hasman fügte hinzu und erläuterte: “Infolge der Entdeckung von Graphen sind viele zweidimensionale Materialien entdeckt und untersucht worden, wie z.B. verschiedene Halbleiter, die es ermöglichen, interessante optische Eigenschaften zu erhalten. Standard-Elektronikchips basieren auf Silizium, was die Entwicklung der nächsten Generation von Computern, die eine Kombination von Elektronik und Photonik erfordern, stark einschränkt, was zum Teil auf das Fehlen einer wesentlichen Bedingung namens ‘direkte Energielücke’ im Silizium zurückzuführen ist. Zu unserer Überraschung wurde die direkte Energielücke in zweidimensionalen Halbleitern entdeckt, wodurch es möglich wird, Photonik und Elektronik auf der Nanometerskala zu kombinieren, sie zur Herstellung von Lichtquellen und aktiven photonischen Geräten zu verwenden und den Weg für zukünftige Chip-Generationen zu ebnen”.
Um den elektronischen Chip zu miniaturisieren und die Verarbeitungsgeschwindigkeit und die Informationsübertragungsrate deutlich zu erhöhen, ist der derzeit akzeptierte Ansatz die Spintronik – die Operationen an einem Spin, einer wichtigen Eigenschaft, die die Eigenrotation der Elektronen charakterisiert – und nicht am Strom der Elektronen durchführt. Im Jahr 2001 gründete Prof. Hasman ein neues Gebiet namens Spin-Optik, das es ermöglicht, den Spin von Photonen mit Hilfe von Meta-Oberflächen für die Übertragung und Verarbeitung von Informationen in photonischen Chips zu nutzen.
Die Informationsübertragung basiert auf der Kontrolle des photonischen Spins mit Hilfe der Nano-Photonik, einer Optik auf der Nanometerskala. Die Halbleitermaterialien besitzen aufgrund der gebrochenen Inversionssymmetrie ihrer Strukturen Elektronenenergieniveaus, die durch einen neuen Freiheitsgrad – Tal – gekennzeichnet sind, der die spinselektive Lichtemission steuern kann.
Technion-Forscher beschlossen, sich diese Eigenschaft zunutze zu machen, indem sie eine Wechselwirkung einer einzelnen Atomschicht aus Wolfram-Selenid (WSe2) mit Nanoantennen erzeugten, die es ermöglichen, die Symmetrie im photonischen Spin zu brechen. Dies wird zu einem Chip im atomaren Maßstab führen, der Talinformationen über den photonischen Spin steuert und verarbeitet.
Photonische Kristallstruktur – Der Quantenchip mit smarten Licht erzeugt
Die Forscher entwickelten eine zweidimensionale photonische Kristallstruktur aus Silizium, die eine Energielücke im Emissionsspektrum des zweidimensionalen Materials erzeugt, so dass die Kopplung des atomaren Halbleiters an den photonischen Kristall alle optischen Emissionskanäle aus dem zweidimensionalen Material blockiert.
Durch die Erzeugung intelligenter Defekte innerhalb des photonischen Kristalls, die Steuerung der Phase der Defekte durch ihre Geometrie und die Kopplung zwischen ihnen schufen die Forscher eine Lichtquelle aus einer einzigen Atomlage, die die Spins der vom zweidimensionalen Halbleiter emittierten Photonen trennt und sortiert.
Diese Entdeckung wird es ermöglichen, Spintronik und Spin-Optik zu kombinieren, um eine breite Palette von Vorrichtungen auf atomarer Ebene zu entwickeln.
Prof. Hasman stellte dies mit Stolz fest: “diese prestigeträchtige Publikation zeigt die Bedeutung der multidisziplinären Forschung, die Physik, Chemie, Materialwissenschaft und Ingenieurwesen miteinander verbindet”.
Die Forschung wurde von der Israel Science Foundation (ISF), dem israelischen Ministerium für Wissenschaft, Technologie und Raumfahrt, dem Büro für wissenschaftliche Forschung der U.S. Air Force und teilweise vom Technion über ein Aly-Kaufman-Stipendium unterstützt. Die Herstellung wurde in der Micro-Nano Fabrication & Printing Unit (MNF&PU) des Technion durchgeführt.
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