Schalter aus Atomen verändern die Zukunft des Computers!

Stellen Sie sich einen Lichtschalter vor, der nur wenige Atome groß ist und Photonen einzeln freisetzt. Diese Quantenschalter oder -sender sind wichtige Bausteine zukünftiger Technologien: Quantencomputer, sichere Kommunikationsnetze und hochempfindliche Sensoren.

Seit Jahren versuchen Wissenschaftler, diese Phänomene zu verstehen und zu kontrollieren. Neue Forschungsergebnisse amerikanischer Experten haben nun gezeigt, wie Einzelphotonenquellen in ultradünnen Materialien identifiziert und mit atomarer Präzision gezielt erzeugt werden können.

Die Emitter erzeugen einzelne Photonen auf Abruf. Diese Fähigkeit ist unerlässlich für die vollständige Kontrolle von Licht und Information. Das Problem bestand bisher darin, dass die von ihnen verursachten atomaren Defekte extrem klein und schwer zu beobachten sind. Jianguo Wen vom Argonne National Laboratory erklärte: „Das optische Verhalten von Quantenemittern wird durch ihre Atomstruktur bestimmt, die sich nur sehr schwer direkt beobachten lässt.“

Die Forscher konzentrierten sich auf hexagonales Bornitrid, ein nur wenige Atomlagen dickes Kristallgitter. Mithilfe des QuEEN-M-Instruments kombinierten sie atomare Bildgebung mit Kathodolumineszenzspektroskopie und konnten so die Lichtemission direkt mit spezifischen Defekten korrelieren.

Sie entdeckten außerdem, dass durch Verdrehen der Bornitridschicht in bestimmten Winkeln „verdrehte Grenzflächen“ entstehen, die das Signal um bis zu 120-fach verstärken. Dadurch konnten die Emitter mit einer Präzision von unter 10 Nanometern lokalisiert werden. Eine Schlüsselentdeckung war der blaue Emitter, der sich als Kohlenstoffdimer, also zwei Kohlenstoffatome in einem Kristall, herausstellte.

Thomas Gage fügte hinzu: „Indem wir die Atomstruktur mit Licht verknüpft haben, haben wir die Tür zur präzisen Entwicklung von Quantenemittern nach Bedarf geöffnet.“

Dies stellt einen Wandel von der Entdeckung zur Entwicklung dar. Präzise positionierte Einzelphotonenquellen sind der Schlüssel zum Bau skalierbarer Quantengeräte, die Daten schneller verarbeiten, sicher übertragen und Signale mit minimalen Verlusten verstärken.

Trotz der Fortschritte erfordert das Verfahren hochspezialisierte Mikroskope, was die Massenproduktion einschränkt. Zukünftige Forschung wird sich auf eine bessere Skalierbarkeit und das Verständnis des Einflusses unterschiedlicher Atomstrukturen auf Photonen konzentrieren.