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Dübendorf, St. Gallen und Thun - Unter der Leitung von Bruno Schuler hat ein ambitioniertes Forschungsprojekt begonnen, bei dem atomlagendünne Halbleiterschichten gezielt mit Defekten versehen werden. Das Ziel ist es, die Quanteneigenschaften dieser Materialien mit einer zeitlichen Auflösung von Pikosekunden und einer Genauigkeit bis hin zum atomaren Level zu messen und zu kontrollieren.
Die gewonnenen Erkenntnisse sollen Grundlagenwissen für die Entwicklung zukünftiger Quantencomputer liefern.
Die Forschungsarbeit konzentriert sich auf Molybdändisulfid (MoS2) und ähnliche Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDs), die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften zu den vielversprechendsten Materialien für Nanocomputer der nächsten Generation gehören. Als 2D-Halbleiter besitzen sie eine direkte Bandlücke, was sie ideal für die Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise und optischer Detektoren macht. Zudem werden diese 2D-Materialien intensiv in der Quantenmesstechnik, Quantenkryptographie und Quanteninformationstechnologie erforscht.
Ein entscheidender Aspekt des Projekts ist das gezielte Management von Defekten in den Materialschichten. Ähnlich wie bei klassischen Halbleitern oder Festkörperlasern spielen atomare Defekte auch hier eine bedeutende Rolle für die Funktionalität und Leistungsfähigkeit. Die Untersuchung dieser Defekte erfolgt mit einem neuartigen Messinstrument, das extrem präzise Zeit- und Ortsmessungen ermöglicht.
Die Forscher möchten die TMDs als sogenannte Quantenemitter charakterisieren. Diese Emittoren fungieren als Schnittstelle zwischen Elektronenspin, der für die Verarbeitung von Quanteninformationen relevant ist, und Photonen, die zur verlustfreien Übertragung von Quanteninformationen dienen. Ein weiterer Vorteil der 2D-Materialien ist ihre Eignung für den Einsatz bei Raumtemperatur, was die Nutzung der Technologie in vielfältigen Anwendungen erleichtert.
Das Forschungsprojekt steht erst am Anfang, und die Forscher arbeiten daran, die Defekte in den atomlagendünnen Schichten von MoS2 genau zu identifizieren und ihre elektronischen und optischen Eigenschaften zu erforschen. Dabei setzen sie auf eine Kombination aus einem Rastertunnelmikroskop (STM) und einem speziell entwickelten 50-Watt-Infrarotlaser, der ultrakurze Laserimpulse erzeugt.
Bruno Schuler und sein Forschungsteam werden bei diesem Vorhaben durch Fördermittel des "European Research Council" unterstützt, die für vielversprechende Talente in der Wissenschaft vergeben werden. Schuler, der bereits an führenden Forschungseinrichtungen im In- und Ausland gearbeitet hat, strebt an, die Empa als Forschungsstandort für Quantennanotechnologie weiterzuentwickeln und die faszinierenden Möglichkeiten quantenmechanischer Prozesse auf atomarer Skala zu erkunden.
Quellen:
Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) [http://www.empa.ch]
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