Die neuen dünnsten Spiegel der Welt benutzen Quanten 'Excitonen', um Licht zu reflektieren

Zwei separate Wissenschaftlerteams haben die dünnsten Spiegel der Welt gebaut: Molybdändiselenidschichten (MoSe2), jeweils nur ein Atom breit.

Die Spiegel wurden zur gleichen Zeit an der Harvard University und am Institut für Quantenelektronik in Zürich entwickelt und in einer Zeitung beschrieben, die am Donnerstag (18. Januar) in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde. Diese technischen Meisterleistungen treiben die Grenzen dessen, was in diesem physikalischen Universum möglich ist, voran, so die Forscher.

Trotz der Annäherung an die Mindestdicke, die ein Objekt möglicherweise unter den Gesetzen der Physik haben und bleiben könnte, reflektierten die winzigen Spiegel einen großen Teil des auf sie auftreffenden Lichts. Der Harvard-Spiegel, der auf einer Siliziumbasis montiert war, reflektierte 85 Prozent des Lichts, das ihn traf, hieß es in der ersten Zeitung. Der auf Siliciumdioxid (eine oxidierte Form von Silicium) angebrachte Spiegel von Zurich sei 41 Prozent, so die Schweizer Forschung. Beide Spiegel reflektierten Licht im 780-Nanometer-Bereich, ein tiefes Rot. [Beyond Silicon: 8 chemische Elemente, von denen du noch nie gehört hast]

Diese technische Meisterleistung ist allein interessant. Aber die Forscher schrieben, dass ihre dünnen Spiegel nützlich sein könnten und wichtige Rollen in sehr kleinen, spezialisierten Sensoren und Computerchips spielen, die Laserstrahlen benutzen, um Informationen zu tragen.

Spannende Exzitonen

MoSe2 funktioniert als Spiegel, weil sich Elektronen so verhalten, wie sie die Kerne des Materials umgeben. Wie in einer früheren Veröffentlichung im September 2017 beschrieben, neigt diese Substanz dazu, Lücken in ihren Elektronenfeldern zu bilden - Bereiche, in denen ein Elektron umlaufen könnte, aber kein Elektron vorhanden ist.

Zertrümmere ein Photon oder ein Lichtteilchen in ein Atom, und ein Elektron hat eine gute Chance, von einer niederenergetischen Bahn in eine höhere Energiebahn zu springen. Sobald dies passiert, bildet sich im Elektronenfeld eine Lücke, die "Elektronenloch" genannt wird. Elektronen, die MoSe2 umgeben, verhalten sich besonders wahrscheinlich so, wenn sie mit bestimmten Lichtwellenlängen getroffen werden.

Elektronen sind negativ geladene Quantenobjekte. Und die Protonen in Atomkernen sind positiv geladen. Also, und das ist das heikle Bit, diese Elektronenlöcher nehmen einen Teil der positiven Ladung von den Protonen in den Kernen auf. Dadurch können sich die Löcher ein wenig wie Partikel verhalten, obwohl sie wirklich keine Partikel enthalten.

In der Nähe ziehen negativ geladene Elektronen diese gefälschten Teilchen an und paaren sich unter bestimmten Umständen mit ihnen zu seltsamen quantenmechanischen Objekten, den Exzitonen. Diese Exzitonen emittieren ihr eigenes Licht, stören das einfallende Licht und senden es zurück, so wie es gekommen ist - genau wie der Spiegel in Ihrem Badezimmer.

Spiegelabstimmung

Diese ultradünnen Spiegel haben viel Potential in der realen Welt. Optoelektronische Ingenieure - Menschen, die an winzigen optischen Chips, faseroptischen Netzwerken und anderen Geräten arbeiten, die auf die strikte Kontrolle kleiner Photonenstrahlen angewiesen sind - könnten sogar von einem normalen Spiegel profitieren, der nur ein Atom breit ist.

Aber die Forscher schrieben, dass MoSe2 mehr als nur ein kleiner Spiegel ist. Je nach der auf die Substanz aufgebrachten elektrischen Ladung steigt das Reflektionsvermögen von MoSe2 an. Und dieser Ein-Aus-Effekt passiert super schnell, schnell genug, schrieb das Zürcher Team, um es in mehreren High-Speed-Computing-Anwendungen nützlich zu machen.