Eine unerwartete Antenne für Nano-Lichtquellen

«Um das zu erreichen, mussten wir zunächst einmal das Unerwartete probieren», sagt Novotny. Schon seit einigen Jahren arbeiten er und seine Mitarbeitenden an Mini-Lichtquellen, die auf dem Tunneleffekt basieren. Zwischen zwei Elektroden (in diesem Fall aus Gold und Graphen), die durch ein isolierendes Material getrennt sind, können Elektronen nach den Regeln der Quantenmechanik tunneln. Unter bestimmten Umständen – wenn der Tunnelvorgang inelastisch ist, die Energie der Elektronen also nicht erhalten bleibt – kann dabei Licht entstehen.

«Leider ist die Ausbeute dieser Lichtquellen gering, da die Abstrahlung sehr ineffizient ist», erklärt Postdoktorand Sotirios Papadopoulos. Das Abstrahlungsproblem ist in anderen Gebieten der Technik wohlbekannt. In Mobiltelefonen etwa sind die Chips, die die zur Übertragung nötigen Mikrowellen erzeugen, nur einige Millimeter gross. Die Mikrowellen selbst dagegen haben eine Wellenlänge von etwa 20 Zentimetern und sind damit fast hundert Mal grösser als der Chip selbst. Um diesen Grössenunterschied zu überbrücken, braucht es eine Antenne (die allerdings bei modernen Telefonen von aussen nicht mehr sichtbar ist). Auch in den Experimenten der Zürcher Forschenden ist die Lichtwellenlänge viel grösser als die Lichtquelle.

«Nun könnte man meinen, wir hätten bewusst nach einer Antennenlösung gesucht – aber so war es nicht», sagt Papadopoulos. Wie schon andere Gruppen vor ihnen untersuchten die Forscher ein Atom dicke Schichten aus Halbleitermaterialien wie Wolframdisulfid, die zwischen den Elektroden der Tunnelbarriere liegen, um auf diese Weise Licht zu erzeugen. Im Prinzip würde man vermuten, dass sich die optimale Position dafür irgendwo zwischen den beiden Elektroden befindet, vielleicht etwas näher an einer als an der anderen. Stattdessen probierten die Froschenden etwas ganz Anderes und brachten den Halbleiter oberhalb der Graphen-Elektrode auf – also komplett ausserhalb des Tunnelkontakts.

Überraschenderweise funktionierte diese eigentlich widersinnige Position sehr gut. Warum das so war, fanden die Forschenden heraus, indem sie die an den Tunnelkontakt angelegte Spannung variierten und den Strom durch den Tunnelkontakt massen. Dabei sahen sie eine deutliche Resonanz, die mit einer so genannten Exziton-Resonanz des Halbleitermaterials übereinstimmte. «Auch die Temperatur spielt eine wichtige Rolle», sagt Jian Zhang, Wissenschaftler am «Transport at Nanoscale Interfaces» Labor der Empa. «Je niedriger die Temperatur, desto ausgeprägter ist die Resonanz. Indem wir die Geräte auf Temperaturen von bis zu -263 Grad abkühlen, verringern wir die durchschnittliche Bewegungsenergie der Elektronen und rufen viel schärfere und stärkere Resonanzen hervor, die bei Raumtemperatur schwach oder gar unsichtbar sind.»

Exzitonen bestehen aus einem positiv geladenem Loch, also einem fehlenden Elektron, und einem durch das Loch gebundenen Elektron und können unter anderem durch Lichteinstrahlung angeregt werden. Die Exziton-Resonanz zeigte klar, dass der Halbleiter nicht direkt durch Ladungsträger angeregt wurde – schliesslich flossen ja keine Elektronen durch ihn –, sondern dass er die im Tunnelkontakt erzeugte Energie aufnahm und dann abstrahlte. Er wirkte also ähnlich wie eine Antenne.