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Foto (Matthias Groppe): Holographie-Apparatur von Herrn Dr. Andreas Redler

Foto: Foto (Matthias Groppe): Holographie-Apparatur von Herrn Dr. Andreas Redler

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2D-Materialien unter der Lupe

Internationales Forscher*innenteam veröffentlicht Übersichtsarbeit in Nature Reviews Physics

Sogenannte 2D-Materialien, die aus einer Lage von Atomen bestehen, werden aufgrund ihrer besonderen Beschaffenheit zunehmend in optoelektronischen Bauteilen, als Quantenlichtquellen und in integrierten Schaltungen eingesetzt. Die Erforschung der Quantentechnologien, die durch das Material ermöglicht werden, schreitet seit 2015 voran, bietet aber gleichzeitig noch Potenzial für weitere Entwicklungen. Den Status quo hat ein internationales Wissenschaftler*innenteam des europäischen „Quantum Flagship“-Projekts S2QUIP, das von Prof. Dr. Klaus Jöns von der Universität Paderborn geleitet wird, jetzt in einem Paper zusammengetragen. Der Artikel wurde von dem Fachjournal Nature Reviews Physics veröffentlicht. Die Wissenschaftler*innen wagen außerdem einen Ausblick auf künftige Herausforderungen und potenzielle Anwendungen.

In der Arbeit geben die Forscher*innen einen Überblick über die grundlegenden Eigenschaften verschiedener 2D-Schichtmaterialien und stellen die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Quantenlichtquellen vor. „2D-Materialien erlauben Quantenemitter, die z. B. einzelne Photonen erzeugen, mit einer starken Licht-Materie-Wechselwirkung, sodass sie optimal in On-Chip-Bauteile integriert werden können. Die Möglichkeit, 2D-Materialien auf photonische Schaltkreise zu übertragen, um hybride Systeme zu entwickeln, eröffnet neue Chancen für skalierbare quantenphotonische Bauteile“, so Jöns. In den vergangenen sechs Jahren haben sich mit dem Aufkommen von sogenannten „2D-geschichteten Van der-Waals-Materialien“ neue Techniken und Technologien ergeben. Zum Beispiel die Erzeugung von Quantenemittern durch den Moiré-Effekt, der alleine dadurch zustande kommt, dass zwei 2D-Schichten gegeneinander verdreht werden. Jöns erklärt: „Diese Materialien stellen eine äußerst attraktive quantenphotonische Plattform dar. Denn sie bieten maximale Vielseitigkeit, eine ultrahohe Licht-Materie-Wechselwirkung, einfache Integration und neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Quantenzuständen.“

Zur Realisierung künftiger Quantenphotonik-Technologien sind vor allem leistungsstarke Quantenlichtquellen erforderlich, die auf Basis von 2D-Materialen funktionieren. Beispielsweise können rauscharme Einzelphotonenquellen verschiedene Quantenkommunikationsverfahren mit bedingungsloser langfristiger Informationssicherheit ermöglichen. Laut der Wissenschaftler*innen können skalierbare On-Chip-Quantenlichtquellen u. a. auch robuste photonische Quantenberechnungen mit ultimativer Datenverarbeitungsgeschwindigkeit ermöglichen.

An der Arbeit waren neben der Universität Paderborn Wissenschaftler*innen der Aalto University Finnland und der Heriot-Watt University, Edinburgh, in Schottland beteiligt.

Zum Paper: https://rdcu.be/cERRl  (open access) oder: https://www.nature.com/articles/s42254-021-00408-0

Kontakt

Klaus Jöns

Prof. Dr. Klaus Jöns

Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS)

Zur Person

Die Universität der Informationsgesellschaft