Wissenschaftler der National University of Singapore haben durch Forschung herausgefunden, dass spezifische Defekte, die durch atomare Substitutionsdotierung in ultradünnen zweidimensionalen Materialien gebildet werden, ein Quantensystem bilden können, das bei Terahertz-Frequenzen stabil arbeitet. Diese Forschungsergebnisse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift „ACS Nano“, bieten einen neuen theoretischen Ansatz für die Entwicklung von Spin-Qubits und Terahertz-Einzelphotonenemittern, die bei höheren Temperaturen arbeiten können.
Im Bereich der Quantentechnologie können bestimmte Defekte in Materialien als winzige Quantensysteme betrachtet werden. Defekte mit Spin-Triplett-Eigenschaften eignen sich als Spin-Qubits, die Grundeinheiten eines Quantencomputers. In den meisten bekannten Systemen liegt die Energiedifferenz zwischen den Spinzuständen (Zero-Field Splitting, ZFS) typischerweise im Mikrowellenbereich. Obwohl die Mikrowellentechnologie relativ ausgereift ist, neigen darauf basierende Qubits bei Raumtemperatur dazu, ihre Quanteneigenschaften zu verlieren. Terahertz-Frequenzen liegen zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht. Die Technologie in diesem Band hat in der Vergangenheit Herausforderungen dargestellt, aber angesichts der Nachfrage durch zukünftige Kommunikationstechnologien entwickeln sich die entsprechenden Quellen und Detektoren schnell.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Su Ying Quek vom Fachbereich Physik der National University of Singapore verwendete Hochdurchsatzsimulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie, um 50 verschiedene Systeme aus zweidimensionalen Materialien systematisch zu untersuchen, die durch das Hinzufügen von Übergangsmetallatomen zu Monolagen von Molybdändisulfid und Wolframdiselenid gebildet wurden. Sie entdeckten mehrere stabile Spin-Triplett-Defekte, die ungewöhnlich große Zero-Field-Splitting-Werte im Terahertz-Bereich aufweisen. Diese große Aufspaltung der Energieniveaus resultiert hauptsächlich aus der starken Kopplung zwischen Spin und atomarer Struktur, der sogenannten Spin-Bahn-Kopplung.
Jingda Zhang, Doktorand und Hauptautor der Studie, sagte: „Diese Ergebnisse zeigen deutlich Festkörperdefektsysteme, die vielversprechende Kandidaten für Spin-Qubits sind, die effizient im Terahertz-Band bei hohen Temperaturen arbeiten können. Die atomare Dünnheit dieser Systeme begünstigt auch die Integration mit nanophotonischen Strukturen für zukünftige Quanten-Terahertz-Technologien, deren Anwendungen von Terahertz-Spin-Qubits bis hin zu Terahertz-Einzelphotonenemittern reichen können.“ Associate Professor Su Ying Quek wies darauf hin: „Die Bedeutung dieser Arbeit liegt darin, dass sie zwei sehr unterschiedliche Forschungsbereiche verbindet – die Physik von Quantendefekten und die Terahertz-Photonik. Derzeit konzentriert sich die meiste Forschung zu Spin-Qubits auf den Mikrowellenbereich, aber unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Erkundung des Terahertz-Bereichs neue und leistungsstarke Quantentechnologien eröffnen könnte.“
Diese Entdeckung legt die materialwissenschaftliche Grundlage für die Realisierung robusterer Qubits bei höheren Temperaturen und die Entwicklung neuartiger Quanten-Terahertz-Bauelemente.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Jingda Zhang et al., Titel: „Quantum Defects in Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides for Terahertz Technologies“, ACS Nano (2025). Journalinformation: ACS Nano
