Atomare Defekte sind unvermeidlich: Kein Material ist vollkommen fehlerfrei. Was lange vor allem als Schwachstelle galt, könnte jedoch auch eine Stärke sein. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun gezeigt, dass solche Defekte Energie nicht nur aufnehmen, sondern gezielt weiterleiten können. Ein Team um Nahid Talebi, Professorin für Nanooptik an der CAU hat eine Studie dazu kürzlich in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht.

Wie der Energietransport funktioniert zeigt sich im Zusammenspiel zweier Materialien, die nur wenige Atomlagen dünn sind: einen Perowskit, der Energie aufnehmen kann, und hexagonales Bornitrid. Letztere Materialklasse besteht aus Bor- und Stickstoffatomen, die normalerweise regelmäßig angeordnet sind. Einige Stellen weichen jedoch von dieser Struktur ab. Diese atomaren Defekte können Energie aus dem Perowskit aufnehmen und an weitere Defekte weitergeben. Die Energie im Perowskit liegt zunächst in einem angeregten Zustand vor, den Physikerinnen und Physiker Exziton nennen. Das Team geht davon aus, dass die Energie von diesen Zuständen auf Defekte im Bornitrid übergeht.

Wie weit sich die Energie über dieses Netzwerk aus Defekten ausbreiten kann, ist ungewöhnlich: Noch in einer Entfernung von bis zu 150 Mikrometern vom ursprünglichen Ort der Anregung konnte das Team das Signal nachweisen. Das entspricht ungefähr der Breite eines menschlichen Haares. Die gemessene Energietransportlänge lag bei rund 142 Mikrometern.

Um diese Entfernung zu erklären, reichen herkömmliche Ansätze wie die Bewegung der Exzitonen allein oder eine optische Wellenleitung nach den Experimenten nicht aus. Die Forschenden führen den beobachteten Energietransport vor allem auf die Wechselwirkungen zwischen den Defekten und auf die wiederholte Aufnahme und Aussendung von Licht innerhalb des Defektnetzwerks zurück.

Entscheidend für die Entdeckung war eine spezielle Kathodolumineszenz-Messmethode, die das Kieler Nanooptik-Team entwickelt hat. Dabei regten die Forschenden das Material mit einem Elektronenstrahl an und nahmen das dabei entstehende Licht mit einer optischen Faser auf. Der Elektronenstrahl blieb dabei stets an gleicher Stelle, während sie die Faser jedoch Schritt für Schritt davon wegbewegten. Gleichzeitig beobachteten sie unter einem Elektronenmikroskop was passiert und stellten fest, dass das Lichtsignal auch in großer Entfernung vom Anregungsort noch vorhanden war. 

„Viele Quantenmaterialien müssen normalerweise gekühlt werden, damit wir ihre Eigenschaften überhaupt beobachten können. Unser Effekt tritt aber bei Raumtemperatur auf. Das macht ihn besonders spannend, um ihn weiter zu untersuchen“, sagt Talebi, Mitglied im Forschungsschwerpunkt KiNSIS – Kiel Nano, Surface and Interface Science. Dort erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem nanoskalige Materialien und Grenzflächen für Anwendungen in der Quantentechnologie. Potenzial sieht das Team ebenfalls für neue Bauelemente, in denen Energie oder Informationen über Anregungen mit Licht transportiert werden.

Als Nächstes wollen die Forschenden herausfinden, wie sie den Energieaustausch im untersuchten Material gezielt steuern könnten. Talebi hofft, dass dies die Weiterentwicklung hybrider Quantenmaterialien voranbringt. Das Paper liefert zunächst die physikalischen Grundlagen dafür und nennt beispielsweise Quantentransducer, die Quanteninformationen zwischen verschiedenen Systemen übertragen und optoelektronische Verbindungen für die schnelle Datenübertragung als mögliche Anwendungen.