Maßgeschneiderte Nano-Beben steuern Licht von Quantenpunkten

Wien/Linz (APA) - Akustischen Oberflächenwellen lassen zwar keine Häuser einstürzen - als „Nano-Beben“ haben sie jedoch erstaunliche Effekte...

Wien/Linz (APA) - Akustischen Oberflächenwellen lassen zwar keine Häuser einstürzen - als „Nano-Beben“ haben sie jedoch erstaunliche Effekte. Einer internationalen Forschergruppe unter Beteiligung von Linzer Physikern ist es gelungen, solche Wellen gezielt zu erzeugen und damit das Licht eines Quantenpunkts zu steuern, berichteten die Wissenschafter kürzlich im Fachblatt „Nature Nanotechnology“.

Durch die Überlagerung verschiedener, kontinuierlicher Wellen lässt sich jede beliebige Wellenform erzeugen. Dieser recht einfach anmutende Zusammenhang wurde bereits Anfang des 19. Jahrhunderts vom französischen Physiker und Mathematiker Joseph Fourier formuliert. Heute findet er Anwendung in zahllosen Produkten des täglichen Lebens. Musik-Synthesizer wie etwa die legendäre „Hammond Orgel“ nutzen dieses Prinzip, um verschiedene Klänge zu erzeugen. Unsere Ohren wiederum funktionieren nach dem umgekehrten Prinzip und zerlegen die Klänge wieder in ihre einzelnen Komponenten.

Auch zur Erzeugung maßgeschneiderter „Nano-Beben“ auf der Oberfläche eines Halbleiters machten sich die Forscher in dem von der Universität Augsburg geleiteten Projekt diesen Effekt zunutze. Indem sie unterschiedliche Spannungssignale in Form von einfachen Sinuswellen miteinander kombinierten, erzeugten sie zunächst Signale in Form von Rechtecken, Dreiecken oder sogar kurzen Stoßwellen.

Der entscheidende Punkt jedoch war, diese elektrischen Schwingungen in mechanische Oberflächenwellen umzuwandeln. Dafür entwickelten die Physiker spezielle Elektroden, die sie auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Halbleiters platzierten. Solche Materialien verformen sich unter der Wirkung einer elektrischen Spannung. Dadurch wird das Spannungssignal in eine Schallwelle umgewandelt, die sich entlang der Oberfläche ausbreitet.

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Um sicherzugehen, dass sie tatsächlich Wellen in der gewünschten Form erzeugt haben, benutzten die Forscher nanoskopische „Drucksensoren“ in Form von Quantenpunkten - winzige Inseln eines fluoreszierenden Materials auf der Halbleiteroberfläche. „Die Wellenlänge des Lichts, das diese Punkte emittieren, hängt von der Verspannung des darunter liegenden Materials ab. Sie sind also sehr empfindlich auf Oberflächenwellen“, erklärte Armando Rastelli, Leiter des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik an der Uni Linz, gegenüber der APA. Trifft nun ein Nano-Beben auf einen solchen Punkt, lassen sich aus der Beobachtung des emittierten Lichts Rückschlüsse auf die Form der Welle ziehen.

„Diese Vorgänge laufen sehr schnell ab und die Qualität der Emission war sehr wichtig für die Messung“, so Rastelli. Die Herausforderung für die Linzer Physiker war es, Quantenpunkte zu realisieren, die genau die Ansprüche des Experiments erfüllen. Noch verstehen die Forscher ihre Arbeit als reine Grundlagenforschung. In Zukunft könnten solche einstellbaren Quantenpunkte jedoch eine bedeutende Rolle in der Quantenkommunikation, etwa bei der abhörsicheren Übertragung von Informationen, spielen.

(S E R V I C E - Internet: http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2015.72)


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