Ultradünne Metalle beeinflussen die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie
Es gibt viele Materialien, die faszinierende Eigenschaften haben. Sogenannte 2-D-Materialien, wie zum Beispiel Graphen, sind seit über 100 Jahren bekannt und ein hoch-aktueller Gegenstand der Grundlagenforschung. Wie sich elektromagnetische Strahlung, etwa Radio-, Mikrowellen- oder Wärmestrahlung, in Materie ausbreitet, unterliegt physikalischen Gesetzen. Diese erklären zum Beispiel, wie Licht bricht, wenn es auf bestimmte Gegenstände trifft. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist generell schwach, sodass sie kaum gezielt kontrolliert und manipuliert werden kann. Zweidimensionale Materialien, also ultradünne Metalle, die nur aus einer Lage von Atomen und Molekülen bestehen, zeigen derweil ungewöhnliche Effekte – sie können die Wechselwirkung tatsächlich beeinflussen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift "Advanced Functional Materials" erschienen.
Unter der Leitung von Prof. Dr. Ursula Wurstbauer vom Physikalischen Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) ist einem internationalen Forscherteam die Lösung einer bedeutenden physikalischen Fragestellung im Kontext der zweidimensionalen Materialien gelungen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Deutschland, Singapur, Kanada und den USA haben sich der Frage gewidmet, wie Metallen, die sichtbares Licht einem Spiegel ähnlich meist reflektieren, bestimmte Eigenschaften eingeimpft werden können. Dabei handelt es sich um eine besonders günstige Eigenschaft von Halbleitermaterialien, also von Festkörpern, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern (wie Silber) und der von Nichtleitern (etwa bestimmte Kunststoffe) liegt: die gute Absorptionsfähigkeit. Das heißt, dass Halbleitermaterialien Teilchenströme wie magnetische Wellen besonders gut in einen Körper oder Stoff "aufsaugen". Solarzellen tun dies beispielsweise zur Stromgewinnung. Andererseits können die zweidimensionalen Metalle um exotische Eigenschaften erweitert werden, ohne dass sie die gute Leitfähigkeit, die Metalle generell haben, einbüßen. Allerdings sind ultradünne Metalle anfällig für Korrosionen, oxidieren also schnell. Um diese ungewünschte Reaktion zu verhindern, bedeckten die Wissenschaftler die Metalle mit ebenfalls nur zwei bis drei Atomlagen dünnen, optisch inaktiven Schutzschichten.
Die Lösung dieser Fragestellung ist nicht nur für Physiker von zentraler Bedeutung. Da die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie von hoher technologischer Relevanz ist, wirken die Forschungsergebnisse des Teams um Ursula Wurstbauer in viele Bereiche, darunter die Bio- und Medizintechnik, Kommunikationstechnologie, Energieumwandlung und Quantentechnologie. Da es sich um Grundlagenforschung handelt, liegen die großen Vorteile der neuen 2-D-Metalle nicht in der Optimierung bestehender Anwendungen, sondern in den Möglichkeiten für die Entwicklung neuartiger Funktionalitäten und Anwendungskonzepte. Materialwissenschaftler können mithilfe der neuen Erkenntnisse beispielsweise an Materialien mit optimierter Absorption forschen.
Originalpublikation
Katharina Nisi, Shruti Subramanian, Wen He, Kanchan Ajit Ulman, Hesham El‐Sherif, Florian Sigger, Margaux Lassaunière, Maxwell T. Wetherington, Natalie Briggs, Jennifer Gray, Alexander W. Holleitner, Nabil Bassim, Su Ying Quek, Joshua A. Robinson, Ursula Wurstbauer (2020): Light–Matter Interaction in Quantum Confined 2D Polar Metals. Advanced Functional Materials; DOI: 10.1002/adfm.202005977