Vom Brillenglas zur Spitzenforschung

Forscherteam weist erstmals Emission kohärenten Lichts aus 2D Materialien nach

6. Januar 2022

Ein Forscherteam unter Beteiligung von MPSP Alumnus Dr. Heiko Knopf und Fellow Dr. Falk Eilenberger veröffentlichte vor kurzem einen wissenschaftlichen Artikel in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“. Was genau sich hinter dem Titel „Spatial coherence of room-temperature monolayer WSe2 exciton-polaritons in a trap” verbirgt und was Brillengläser mit Quantenkommunikation zu tun haben, verriet uns Heiko in einem Interview.

Unser Interviewpartner und MPSP Alumnus Heiko Knopf hat gemeinsam mit seinen Kollegen erstmals Emission kohärenten Lichts aus 2D Materialien nachgewiesen. Im Interview erzählt er uns mehr zu seiner Forschungsarbeit. 

Heiko, vielen Dank, dass du dir heute Zeit für dieses Interview genommen hast. Ende 2021 wurde ja Euer Paper mit dem Titel „Spatial coherence of room-temperature monolayer WSe2 exciton-polaritons in a trap“ veröffentlicht – herzlichen Glückwunsch noch einmal dazu! Könntest du kurz für alle, die nicht in deinem Feld forschen, erklären, was sich hinter diesem eindrucksvollen Titel verbirgt?

"Gerne! Für den Artikel haben wir versucht sehr dünne, atomar monolagige Materialien – sogenannte 2D Materialien – anzuregen und so gezielt Photonen daraus zu emittieren. Die haben dann ähnliche Eigenschaften wie ein herkömmlicher Laser, sind aber viel kleiner und unterscheiden sich dadurch, dass sie so dünn sind, auch sehr von multilagigen Laserlichtquellen. Wir konnten jetzt zum allerersten Mal nachweisen, dass es auch in solchen Monolagen möglich ist, kohärentes Licht zu erzeugen – das heißt das Licht, das emittiert wird, schwingt in Phase und die verschiedenen Lichtwellen sind nicht zueinander verschoben.

Geschafft haben wir das, indem wir diese Monolagen in ein optisches, schwingendes System von zwei Spiegeln gepackt haben. Die Spiegel sind genau auf die Energie dieser Monolage angepasst, um sie sehr effizient anzuregen und dann auch wieder abregen zu können."

Wie spannend! An dem Artikel war ja ein großes Forscherteam beteiligt – was genau hast Du denn dabei gemacht?

"Ja genau, unser Team für dieses Paper bestand aus Forschenden an der Uni Jena, dem Fraunhofer IOF, der Universität in Würzburg und der Universität in Oldenburg. Die Kolleg*innen in Würzburg und Oldenburg waren dafür zuständig, die monolagige Probe zu charakterisieren und konnten mit Hilfe eines Michelson Interferometers messen, dass genau dieses kohärente Licht daraus ausgestrahlt wird.

Wir in Jena haben vorher die Monolagen und das Probensystem dafür hergestellt. Wir haben dazu einen speziellen Prozess verwendet, bei dem das Material so schonend behandelt wird, dass es weiterhin optisch aktiv bleibt – das ist nämlich gar nicht so einfach: Solche 2D Materialien bestehen ja quasi nur aus Oberfläche, also aus einer einzelnen, hauchdünnen Atomschicht. Wenn man damit arbeiten will und sie zum Beispiel mit einem anderen Material abdecken möchte, muss man sehr aufpassen, die Monolage nicht chemisch zu verändern oder mechanisch zu brechen. Der Prozess, den wir hier in Jena am Fraunhofer dafür entwickelt haben, wurde ursprünglich für die Beschichtung von Kunststoffgläsern für Brillen erfunden. Wir haben ihn jetzt so abgeändert, dass er für unsere 2D Materialien geeignet war."

Ihr seid also von der Praxis zurück in die Wissenschaft – normalerweise geht es ja genau anders herum. Kann man denn aus Eurer Forschung nun auch wieder Erkenntnisse für die Praxis oder für zukünftige Forschung ableiten?

"Ja das war tatsächlich ein eher ungewöhnlicher Weg – von einer Praxisanwendung zurück in die Forschung. Unsere Ergebnisse eröffnen jetzt wiederum viele neue Möglichkeiten für weitere Grundlagenforschung, zum Beispiel zu atomar kleinen Lichtquellen. Die könnten eine viel höhere Auflösung erreichen als bisherige Lichtquellen, weil man das Licht nicht noch fokussieren muss – es liegt ja schon in atomarer Größe vor. Außerdem könnte man damit verschränkte Photonen erzeugen und Lichtquellen für die Quantenkommunikation entwickeln. Und das sind nur zwei Anwendungsbeispiele - ich bin schon sehr gespannt, was sich in den nächsten fünf oder zehn Jahren alles aus unserer Forschung entwickelt."

Und wir erst! Bis dahin erst einmal: Vielen Dank für dieses Interview!

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