Ludwig-Maximilians-Universität München
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Lichtleitende Nanomaterialien

In einem anderen Film

München, 01.12.2017

Der Physiker Alexander Högele arbeitet mit hauchdünnen Halbleiterfilmen und -röhren, die verblüffende Eigenschaften haben. Dafür hat ihn nun der Europäische Forschungsrat mit einem hochdotieren Grant ausgezeichnet – zum zweiten Mal in seiner Karriere.

„Wir erforschen funktionale Materialien am atomaren Limit“: Alexander Högele im Reinraum. (Foto: Jan Greune / LMU)

Neue Physik funktioniert bisweilen ganz einfach. Man kann zum Beispiel ein Klebeband nehmen, es auf ein Stück Graphit drücken und wieder abziehen. Wiederholt man den Vorgang ein paar Mal, bleibt ein Wundermaterial am Tesafilm hängen: Graphen, ein zweidimensionales Gitter aus Kohlenstoff, durchsichtig, extrem leicht und reißfest. Ein Quadratmeter wiegt weniger als ein Milligramm. Eine Katze könnte ihr Mittagsschläfchen auf dem Netz machen, ohne dass dieses reißt. Der in der Sowjetunion geborene Physiker Andre Geim bekam im Jahr 2010 für die Entdeckung von Graphen mit Hilfe dieser Zipp-off-Methode den Nobelpreis.

„Es ist verblüffend, wie man mit Neugier und einfachen Mitteln Physik machen kann. Das ist ein Charakteristikum der Sowjet-Schule“, sagt Alexander Högele. Der LMU-Nanophysiker, selbst als Kind in der Sowjetunion aufgewachsen, mag diesen unkomplizierten Umgang mit neuen Materialien. Er sucht nach innovativen Nanomaterialien mit herausragenden optischen Eigenschaften, vor allem für Anwendungen in der Photonik und bei Quantentechnologien. In einem vom Europäischen Forschungsrat (ERC) geförderten Projekt beschäftigt er sich mit Kohlenstoff-Nanoröhren, die in seiner Arbeitsgruppe so hergestellt werden, dass sie optisch aktiv sind.

Wer sich mit dem Nanophysiker in seinem Büro im Altbau der Fakultät für Physik trifft, taucht schnell ein in eine Welt von Quantenobjekten, von Pseudospins, von Potenzialfallen in Form von Mini-Pfützen, in denen genau ein Elektron Platz hat, und von Materialien mit ganz besonderen Eigenschaften. Das Ziel von Högeles Arbeiten ist es unter anderem, solche Materialien derart zu präparieren, dass sie einzelne Lichtteilchen einer bestimmten Frequenz abstrahlen, die man dann in der Photonik oder vielleicht sogar für die Quantenkommunikation nutzen kann. Högele: „Wir erforschen funktionale Materialien am atomaren Limit“ – mit Nanoröhren etwa, die nur noch aus einer Lage von Atomen bestehen, und ultradünnen 2D-Halbleitern.

Geschichten über die Nanowelt klingen oft so, als ginge es um einen ganz besonderen, einen wundersamen Kosmos. Forscher begeben sich mit Materialien wie Graphen oder Nanoröhren aus Kohlenstoff in Grenzbereiche der Physik. Sie haben es dann mit Effekten und Phänomenen zu tun, die es in der Welt der klassischen Physik nicht gibt. Um solch neuen Dingen auf die Spur zu kommen, sei nicht immer Hightech notwendig, sagt Högele.

Wände mit Wabenstruktur
Seit geraumer Zeit arbeitet seine Gruppe an Nanoröhren aus Kohlenstoff und untersucht ihre Eigenschaften etwa bei Temperaturen wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt von -273 Grad Celsius. Nanoröhren sind optisch aktiv, und die Lichtfrequenz, die sie ausstrahlen, hängt von ihrem Durchmesser ab. Die Intensität, mit der das Licht bei tiefen Temperaturen abgestrahlt wird, ist interessanterweise in einzelne Photonen gequantelt. Das machte Högele hellhörig. Offenbar war er da auf einen Effekt gestoßen, den man möglicherweise auch technisch in Glasfaserleitungen zur abhörsicheren Übertragung von Informationen nutzen konnte. Die entscheidende Frage war, ob man das System so manipulieren konnte, dass es Lichtteilchen, so genannte Photonen, auch bei Raumtemperatur in einer gewünschten Frequenz aussenden konnte.

Chemisch modifizierte Nanoröhren erweisen sich hier als vielversprechend. Die Zylinder sind mehrere Mikrometer lang und haben einen Durchmesser von rund einem Nanometer. In die Wabenstruktur der Wand, die aus nur einer Lage von regelmäßig angeordneten Kohlenstoffatomen besteht, können nun gezielt Fehlstellen eingebaut werden. Sie ersetzten dabei einzelne Kohlenstoffatome durch andere Atome oder chemisch reaktive Verbindungen. Das Ergebnis ist verblüffend: Die Frequenz der emittierten Photonen lässt sich so tatsächlich verändern. „Wir haben die Hoffnung, dass wir künftig maßgeschneiderte Nanoröhrchen für die Quantentechnologie entwickeln können“, sagt Högele.

Gesucht sind Materialien vor allem für Anwendungen in der abhörsicheren Informationsübertragung. „Es ist uns bereits gelungen, die Farbe der emittierten einzelnen Photonen an die technischen Anforderungen des bestehenden Glasfasernetzes der Telekom anzupassen“, erzählt Högele. Noch ist die Frequenz nicht fein genug abgestimmt, das Signal zu breit. Doch mittels technischer Tricks, etwa dem Einsatz optischer Resonatoren, lässt sich möglicherweise in Zukunft das Signal verbessern und die Ausbeute an passenden Photonen erhöhen.

Die Herausforderung ist, dass die Nanoröhren als Einzel-Photonen-Quellen – so genannte Single-Photon Sources, kurz SPS – fungieren und wirklich nur immer ein Photon mit der exakt gleichen Frequenz ausstrahlen sollen. Gelingt dies, ist der Weg in die Welt der Quantenkommunikation offen. Neben Photonen können auch Atome oder elektronische Zustände in Halbleiterfilmen Träger von Information sein. Deren Eigenschaften wie Drehsinn oder dergleichen, ließen sich als Zustände von Quanteninformation nutzen. Damit wäre auch die Grenze erreicht, wo nicht mehr die Gesetze der klassischen Physik, sondern die der Quantenmechanik gelten. Noch sind solche Ideen Zukunftsvisionen und nur begrenzt in Forschungslaboren praktisch realisiert, doch schon jetzt sehen sich die Forscher mit hohen Erwartungen konfrontiert, was die Grundlagenforschung wie auch die angewandte Forschung und die Entwicklung neuer Materialien angeht.

Seite 2: 500 Materialien mit Potenzial

 

erc_webAlexander Högele ist einer von vier LMU-Wissenschaftlern, die der Europäische Forschungsrat (ERC) jetzt mit hochdotierten Consolidator Grants ausgezeichnet hat.