Licht aus neuartigen Teilchenzuständen

Presseaussendung der TU Wien vom 12.04.2019

Eine neue Art von Leuchtdiode wurde an der TU Wien entwickelt: In dünnen Schichten aus nur wenigen Atomlagen kann man mit Hilfe exotischer „Exzitonencluster“ Licht erzeugen.

Wenn Teilchen eine Bindung eingehen, entstehen normalerweise Atome oder Moleküle – zumindest wenn das im freien Raum passiert. Im Inneren eines Festkörpers lassen sich noch viel exotischere Bindungszustände herstellen.

Diesen Umstand konnte man nun an der TU Wien nutzbar machen: In extrem dünnen Materialschichten aus Wolfram und Selen oder Schwefel wurden durch das Anlegen elektrischer Pulse sogenannte „Exzitonencluster“ erzeugt. Dabei handelt es sich um exotische Bindungszustände aus Elektronen und „Löchern“ im Material. Diese Exzitonencluster können anschließend in Licht umgewandelt werden. So entsteht eine neuartige Form von Leuchtdiode, bei denen man die Wellenlänge des gewünschten Lichts sehr präzise steuern kann. Publiziert wurde dieses Ergebnis nun im Fachjournal „Nature Communications“.

Elektronen und Löcher

In einem Halbleitermaterial kann elektrische Ladung auf zwei unterschiedliche Arten transportiert werden: Einerseits können Elektronen von Atom zu Atom quer durch das Material wandern – sie tragen negative Ladung mit sich. Andererseits kann es auch passieren, dass irgendwo ein Elektron fehlt – dann ist diese Stelle positiv geladen und man spricht man von einem „Loch“. Wenn ein Elektron aus einem Nachbaratom nachrückt und das Loch füllt, hinterlässt es an seinem ehemaligen Platz gleich wieder ein Loch. So können Löcher ähnlich wie Elektronen durch das Material wandern, allerdings in umgekehrter Richtung.

„Unter bestimmten Umständen können sich Löcher und Elektronen aneinander binden“, sagt Prof. Thomas Müller vom Institut für Photonik (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) an der TU Wien. „Ähnlich wie in einem Wasserstoffatom ein Elektron um den positiv geladenen Atomkern kreist, kann im Festkörper ein Elektron um das positiv geladene Loch kreisen.“

Sogar kompliziertere Bindungszustände sind möglich – sogenannte Trionen, Biexzitonen oder Quintonen, an denen drei bis fünf Bindungspartner beteiligt sind. „Das Biexziton ist beispielsweise das Exziton-Äquivalent zum Wasserstoffmolekül H2“, erklärt Thomas Müller.

Zweidimensionale Schichten

In den meisten Materialien sind solche Bindungszustände höchstens bei extrem tiefen Temperaturen knapp am absoluten Nullpunkt möglich. Doch in sogenannten „zweidimensionalen Materialien“, die nur aus atomar dünnen Schichten bestehen, sieht die Sache anders aus. Das Team der TU Wien, an dem auch Matthias Paur und Aday Molina-Mendoza beteiligt waren, erzeugte eine ausgeklügelte Sandwich-Struktur, in der eine dünne Schicht aus Wolframdiselenid oder Wolframdisulfid zwischen zwei Bornitrid-Schichten eingesperrt wird. Mit Hilfe von Elektroden aus Graphen kann an dieses ultradünne Schichtsystem eine elektrische Spannung angelegt werden.

„In so einem Schichtsystem haben die Exzitonen eine viel höhere Bindundungsenergie als in herkömmlichen Festkörpern und sind daher deutlich stabiler. Sogar bei Zimmertemperatur lassen sich noch einfache Bindungszustände aus Elektronen und Löchern nachweisen. Bei tiefen Temperaturen kann man große, komplizierte Exzitonencluster messen“, berichtet Thomas Müller. Je nachdem, wie man das System mit Hilfe kurzer Spannungspulse mit elektrischer Energie versorgt, kann man unterschiedliche Exzitonencluster erzeugen. Wenn diese Cluster dann wieder zerfallen, setzen sie Energie in Form von Licht frei, dadurch funktioniert das ausgeklügelte Schichtsystem als Leuchtdiode.

„Unser leuchtendes Schichtsystem ist nicht nur eine großartige Möglichkeit, Exzitonen zu studieren, sondern auch eine neuartige Lichtquelle“, sagt Matthias Paur, Erstauthor der Studie. „Wir haben damit nun eine Leuchtdiode, deren Wellenlänge man gezielt beeinflussen kann – und zwar auf sehr simple Weise, einfach durch die Form des angelegten elektrischen Pulses.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Mit Diamanten den Eigenschaften zweidimensionaler Magnete auf der Spur

Medienmitteilung der Universität Basel vom 25.04.2019

Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, die magnetischen Eigenschaften von atomar dünnen Van-der-Waals-Materialien auf der Nanometerskala zu messen. Mittels Diamant-Quantensensoren konnten sie die Stärke von Magnetfeldern an einzelnen Atomlagen aus Chromtriiodid ermitteln. Zudem haben sie eine Erklärung für die ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften des Materials gefunden. Die Zeitschrift «Science» hat die Ergebnisse veröffentlicht.

Der Einsatz von zweidimensionalen Van-der-Waals-Materialien verspricht Innovationen in zahlreichen Bereichen. Wissenschaftler weltweit untersuchen immer neue Möglichkeiten, verschiedene einlagige Atomschichten zu stapeln und damit neue Materialien mit besonderen Eigenschaften herzustellen.

Diese superdünnen Verbundstoffe werden durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten und verhalten sich oft anders als dreidimensionale Kristalle des gleichen Materials. Unter den Materialien, die nur eine Atomlage dünn sind, gibt es Isolatoren, Halbleiter, Supraleiter und auch einige wenige mit magnetischen Eigenschaften. Ihr Einsatz in der Spintronik oder als winzige magnetische Speicher ist sehr vielversprechend.

Erstmals präzise Messung der Magnetisierung

Bisher war es nicht möglich, die Stärke, Ausrichtung und Struktur dieser Magnete quantitativ und auf der Nanometerskala zu bestimmen. Das Team um Georg-H.-Endress-Professor Dr. Patrick Maletinsky vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel hat nun gezeigt, dass der Einsatz von Diamantspitzen mit einzelnen Elektronen-Spins in einem Rasterkraftmikroskop für derartige Untersuchungen bestens geeignet ist.

«Wir eröffnen mit unserer Methode, die einzelne Spins in Diamantfehlstellen als Sensoren nutzt, einen ganz neuen Bereich. Von nun an lassen sich die magnetischen Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien auf der Nanoskala und sogar auf quantitative Art und Weise untersuchen. Unsere neuartigen Quantensensoren sind für diese komplexe Aufgabe bestens geeignet», kommentiert Patrick Maletinsky.

Anzahl der Schichten entscheidend

Mit dieser in Basel entwickelten und auf einem einzelnen Elektronenspin basierenden Technik haben die Wissenschaftler zusammen mit Forschenden der Universität Genf nun die magnetischen Eigenschaften von einzelnen Atomlagen aus Chromtriiodid (CrI3). Damit konnten die Forscher auch die Antwort auf eine zentrale, wissenschaftliche Frage zum Magnetismus dieses Materials finden.

Als dreidimensionaler Kristall ist Chromtriiodid vollständig magnetisch geordnet. Bei wenigen atomaren Lagen weisen jedoch nur Stapel mit einer ungeraden Anzahl an Atomschichten eine Magnetisierung auf. Stapel mit einer geraden Zahl an Lagen zeigen sogenannte «antiferromagnetische» Eigenschaften, sind also nicht magnetisiert. Die Ursache für diese Abhängigkeit war bisher nicht bekannt.

Verspannung als Ursache

Das Maletinsky-Team konnte nun zeigen, dass dieses Phänomen auf der besonderen Schichtung der Lagen beruht. Durch die Probenpräparation verschieben sich die einzelnen Chromtriiodid-Lagen leicht gegeneinander. Die resultierenden Verspannungen im Gitter bewirken, dass sich die Spins aufeinanderfolgender Lagen nicht in die gleiche Richtung ausrichten können. Stattdessen wechselt sich die Spinrichtung in den Schichten ab. Bei einer gleichen Anzahl von Lagen heben sich die Magnetisierungen somit auf, bei einer ungeraden Anzahl entspricht die Stärke des gemessenen Magnetfeldes dem einer einzelnen Schicht.

Werden die Verspannungen zwischen den Schichten jedoch gelöst, beispielsweise durch eine Punktion der Probe, richten sich die Spins aller Schichten gleich aus – wie das auch in dreidimensionalen Kristallen beobachtet wird. Die Magnetstärke des ganzen Stapels entspricht dann der Summe der einzelnen Schichten.

Die Arbeit der Basler Wissenschaftler beatwortet damit nicht nur eine zentrale Frage der zweidimensionalen Van-der-Waals-Magnete. Sie eröffnet auch interessante Perspektiven, wie ihre innovativen Quantensensoren in Zukunft zum Studium zweidimensionaler Magnete genutzt werden können um damit zur Entwicklung neuartiger elektronischer Bausteine beizutragen.

Originalbeitrag:
L. Thiel, Z. Wang, M. A. Tschudin, D. Rohner, I. Gutiérrez-Lezama, N. Ubrig, M. Gibertini, E. Giannini, A. F. Morpurgo, and P. Maletinsky
Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single spin microscopy
Science (2019), doi: 10.1126/science.aav6926

Externer Link: www.unibas.ch

Stabil geteilt

Presseinformation der LMU München vom 12.04.2019

LMU-Forscher haben ein neues Protein entdeckt, das bei der korrekten Zellteilung eine entscheidende Rolle spielt.

Die Zellteilung ist ein elementarer Prozess des Lebens, bei dem aus einer Mutterzelle zwei Tochterzellen entstehen. Dabei werden die Chomosomen der Mutterzelle von einem Spindelapparat getrennt, der in tierischen Zellen von zwei Spindelpolen, den Zentrosomen, aufgebaut wird. Fehlerhafte Teilungen haben gravierende Konsequenzen und verursachen schwere Erkrankungen. Wie die Zellteilung auf Ebene der Zentrosomen reguliert wird, steht im Mittelpunkt der Forschung von Dr. Tamara Mikeladze-Dvali vom Biozentrum der LMU. Mit ihrem Team hat die Biologin nun ein Protein identifiziert, das für den korrekten Aufbau des Spindelapparats eine essenzielle Bedeutung hat. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Current Biology.

Ein Zentrosom besteht aus einem Paar zylinderförmiger Zentriolen, die in eine Proteinmatrix eingebettet sind. In der Mutterzelle befindet sich das Zentrosom meist mittig in der Nähe des Zellkerns. Vor der Teilung wird es dupliziert, anschließend werden Spindelfasern gebildet, welche die zwei Zentrosomen in entgegengesetzte Bereiche der Zelle schieben – als Pole der Spindel. Anschließend werden die Chromosomen von den Spindelfasern, die aus den Polen ausstrahlen, auseinandergezogen. Um den dabei wirkenden Zellteilungskräften Widerstand leisten zu können, müssen die Zentrosomen extrem robust sein.

Welche Faktoren dabei eine wichtige Rolle spielen, hat Tamara Mikeladze-Dvali mit ihrem Team anhand von Mutanten des Fadenwurms Caenorhabditis elegans untersucht, in deren DNA nach dem Zufallsprinzip eine Veränderung eingefügt wurde. „Diese Veränderungen können uns zeigen, welche Faktoren eine wichtige Rolle in der Zellteilung spielen“, sagt Mikeladze-Dvali. „Dabei sind wir auf ein bis jetzt unbekanntes Protein gestoßen, das wir als PCMD-1 bezeichnen.“ In weiteren Experimenten markierten die Wissenschaftler dieses Protein in der Zelle und schalteten es mithilfe der Genschere CRISPR/Cas9 gezielt aus. Auf diese Weise konnten sie nachweisen, dass das neue Protein für den korrekten Aufbau des Zentrosoms unentbehrlich ist. Insbesondere ist es wichtig für den Aufbau der aus sogenannten SPD-5-Proteinen bestehenden Proteinmatrix, die die Robustheit und Integrität der Zentrosomen gewährleistet. „Fehlt PCMD-1, hat das verheerende Auswirkungen auf den Aufbau des Spindelapparats und die Zellteilung. Die Zelle kann sich dadurch nicht mehr korrekt teilen“, sagt Mikeladze-Dvali.

Da PCMD-1 eine solch zentrale Funktion hat, haben diese Ergebnisse nach Ansicht der Wissenschaftler große Bedeutung für das generelle Verständnis der Regulierung von Zentrosomen. Fast alle Proteine, die in C. elegans entdeckt wurden, sind auch in höheren Organismen vorhanden. Auch das Matrixprotein SPD-5 hat ein solches Ortholog. Mutationen in diesem Protein sind eine Ursache für genetisch vererbte primäre Mikrozephalie beim Menschen. „Für das Verständnis dieser Entwicklungsstörung ist es wichtig zu wissen, wie das Protein auf der zellulären Ebene reguliert wird“, sagt Mikeladze-Dvali.

Publikation:
Current Biology 2019

Externer Link: www.uni-muenchen.de