Hybride opto-elektronische Quantensysteme basierend auf Exzitonen in Van-der-Waals-Heterostrukturen

• Antragstellerin: Dr. Nadine Leisgang
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553875273

Motivation: Die Suche nach skalierbaren Quantentechnologien wächst stetig. Um diesen Bedarf zu decken, ist es wichtig, die Eigenschaften von Quanten-Materialien besser verstehen und kontrollieren zu können. Einen vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung von Quantensystemen bieten die sogenannten zweidimensionalen (2D) Materialien. Diese weisen eine ganze Reihe verschiedener optischer und elektronischer Eigenschaften auf und lassen sich durch einfaches "Aufeinanderstapeln" zu ganz neuen Hybridstrukturen kombinieren. Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts: Meine Forschung umfasst Nanofabrikation, (Magneto-)Optik und elektrischen Transport mit dem Ziel, hybride Quantensysteme auf der Grundlage von 2D-Materialien zu realisieren, zu kontrollieren und zu verstehen. Ziel des Projektes ist es, neuartige Quantenzustände in 2D-Halbleitern zu generieren und die starke Wechselwirkung zwischen den Teilchen in diesen Systemen zu nutzen, um exotische Quantenphänomene zu erforschen und zu beeinflussen. Von besonderem Interesse sind dabei die atomar-dünnen Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs), da sie stark mit Licht wechselwirken. Ihre optischen Eigenschaften sind durch Exzitonen - gebundene Elektron-Loch-Paare - bestimmt, die sogar bei Raumtemperatur stabil sind. Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf der Realisierung komplexer opto-elektronischer Systeme basierend auf Exzitonen in Van-der-Waals-Heterostrukturen. Hierbei wollen wir den Ladungstransfer und die Kopplung zwischen einzelnen TMD-Schichten in Zwei- und Mehrlagensystemen genauer untersuchen und verstehen, um deren opto-elektronischen Eigenschaften, sowie die Wechselwirkung zwischen einzelnen Ladungsträgern, besser steuern zu können. Auf der Grundlage dieser Arbeit werden wir uns schließlich auf die Verwirklichung von Quanten-Leuchtdioden konzentrieren, die aus p- und n-dotierten TMDs zusammengesetzt werden. Mittels Modulieren der dielektrischen Umgebung und durch geeignetes elektrisches Kontaktieren der einzelnen Schichten wollen wir letztendlich eine umfassende Kontrolle über die neu geschaffenen Quantenzustände erlangen. Relevanz und wissenschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts: Halbleitende TMDs bieten viele technologische Vorteile. Dank ihrer atomar-flachen Struktur und der Abwesenheit von überstehenden Bindungen, können diese optisch aktiven Schichten nahtlos mit einer Vielzahl von 2D-Materialien unterschiedlicher Eigenschaften integriert werden. Darüber hinaus sind diese Systeme durch viele experimentelle Parameter, wie Ladungsträgerdichte, externe elektrische und magnetische Felder, Zusammensetzung, relativer Verdrehungswinkel, dielektrische Umgebung usw., in hohem Maße einstellbar. Die Fähigkeit, die Eigenschaften dieser dünnen Halbleiter zu modifizieren und zu kontrollieren, legt die Grundlage für elementare Forschung an wechselwirkenden Vielteilchensystemen, sowie Zugang zu zahlreichen opto-elektronischen Anwendungen, die auf Lichtemission, -detektion und -manipulation basieren.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Großgeräte: Closed-cycle cryostat ; Spectrometer (incl. Software)
• Gerätegruppe: 5890 Sonstige Photodetektoren (außer 580-586) ; 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Richard Warburton