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IRIS Adlershof
Humboldt-Universität zu Berlin
Zum Großen Windkanal 2
12489 Berlin
Germany

Direktor
Prof. Dr. Jürgen P. Rabe
rabeiris-adlershof.de


Geschäftsstelle
officeiris-adlershof.de
Tel.: +49 30 2093-66350
Fax: +49 30 2093-2021-66350

 

SCIENTIFIC HIGHLIGHTS

Shaping 2D materials with small molecules

Electronic properties of 2D materials such as graphene and transition metal chalcogenides can be tailored by shaping their topography at the nanoscale. At IRIS Adlershof, Abdul Rauf and colleagues from the RabeLab together with Igor Sokolov investigated how to shape surfaces and interfaces of 2D materials with small molecules, intercalating at the interfaces between the 2D materials and a solid substrate. Particularly, they investigated wetting of interfaces between graphene and a hydrophilic substrate, mica, with two small molecules, water and ethanol. Wetting with water leads to labyrinthine structures exhibiting branch widths down to the 10 nm scale. This is explained by a process leading to an equilibrium between electrostatic repulsion of the polar molecules preferentially oriented at the interface, and the line tension between wetted and non-wetted areas. Increasing line tension or decreasing dipole density increases the branch width, causing eventually non-structured wetting layers. The method might be used to shape 2D materials to tailor their electronic properties.

 
Rod of Light
Scanning force microscopy images of graphene surfaces shaped by an intercalating molecularly thin water layer self-assembled into labyrinthine patterns (top left), and the compact wetting front of an ethanol layer (top right). The snapshots of Molecular Dynamics simulations of the interfaces filled with molecules (bottom) helped to understand the origin of the forces driving the pattern formation. 

Shaping surfaces and interfaces of 2D materials on mica with intercalating water and ethanol
A. Rauf, J. D. Cojal González, A. Balkan, N. Severin, I. M. Sokolov, and J. P. Rabe
Molecular Physics
DOI: 10.1080/00268976.2021.1947534

 

Fischen mit Licht

In der Regel werden Moleküle durch Versuch und Irrtum für eine Aufgabe optimiert. Zeitaufwändige iterative Schleifen aus Synthese und Charakterisierung ermöglichen detaillierte Einblicke in die zugrundeliegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Um diesen Prozess zu beschleunigen, haben Niklas König und Dragos Mutruc aus der AG Hecht eine äquilibrierende Mischung aus photoschaltbaren Molekülen erzeugt und deren wellenlängenspezifische Reaktion zur Auswahl verwendet. So konnten sie den gewünschten Schalter aus einem Pool aus vielen verschiedenen Schaltern mit Hilfe von Licht „fischen“. Ihre Methode sollte die schnelle Erkundung der strukturellen Vielfalt funktioneller Farbstoffe erleichtern.
 
Rod of Light
© ACS


Accelerated Discovery of α-Cyanodiarylethene Photoswitches
N. F. König, D. Mutruc, and S. Hecht
Journal of the American Chemical Society 143 24 (2021) 9162,
DOI: 10.1021/jacs.1c03631F 

 

A rod of light in the light cage – a new basis for quantum-optically integrated light-matter interaction on a chip

In the rapidly growing field of hybrid quantum photonics, the realization of miniaturized, integrated quantum-optical systems with intense light-matter interaction is of great importance for both fundamental and applied research. An international team around IRIS member Oliver Benson and Flavie Davidson-Marquis, the first IRIS Adlershof fellowship holder, has integrated a novel on-chip hollow-core light cage into an alkali atom vapor cell.
Implemented by 3D nanoprinting, the compact light cage on a chip exhibits several advantages compared to other hollow-core waveguide structures. Whereas hollow-core fibers suffer from inefficient vapor-filling times — exceeding months for few centimeter-long devices — the design of the light cage allows for high-speed gas diffusion through side-wise direct access to the hollow core within minutes (Figure a).


 
Rod of Light

Coherent interaction of cesium atoms with a beam of light confined in an on-chip light cage.
a, Atoms from alkali vapors entering the light cage from all sides and interacting with the light of the central core mode. Vertical supports connect the light cage to a silicon chip. Reinforcement rings stabilize the freely suspended strand array.
b, The on-chip light cage represents a novel photonic platform for integrated quantum optics as demonstrated in this work by measuring electromagnetically-induced transparency (EIT) visible by the strong transmission on the cesium D1 transition.

The research team observed coherent interaction between a rod of light in the light cage with room-temperature cesium atoms by the effect of electromagnetically induced transparency (Figure b) and investigated the influence of the light cage on the light-matter interaction for the first time. “The results represent a major step forward in hybrid integration of designer laser-written structures and atom cells. The freedom to produce three-dimensional structures–nearly without restrictions on the silicon-technology platform–will allow us to combine light-matter interaction in the light cage with other Si-chip-compatible devices, i.e. lithium niobate waveguides for modulation and frequency conversion of light, as well as direct mode coupling from and to optical fibers. Extensive control of the single-photon properties in a quantum network could ultimately be applied all on one chip”, explains corresponding author Tim Kroh.

Coherent interaction of atoms with a beam of light confined in a light cage
F. Davidson-Marquis, J. Gargiulo, E. Gómez-López, B. Jang, T. Kroh, C. Müller, M. Ziegler, S.A. Maier, H. Kübler, M.A. Schmidt, and O. Benson
Light: Science and Applications 10 (2021) 114, DOI: doi.org/10.1038/s41377-021-00556-z

 

Lichtblick für die Quantenforschung
HU-Forschungsteam und Partner haben erstmals die Teilchenaustauschphase von Photonen direkt gemessen

Dieses Experiment liefert den direkten Beleg für ein erstaunliches Quantenphänomen, das nur bei völlig gleichartigen Quantenobjekten beobachtet wird. Damit kommt die Quantenforschung einen wichtigen Schritt voran.

Die Teilchen, denen das Forscherteam auf der Spur ist, sind schwer zu fassen. Die Physiker untersuchen die Quantenteilchen der elektromagnetischen Wellen, auch Photonen genannt, aus denen Licht besteht. Photonen lassen sich nur dann unterscheiden, wenn sie unterschiedliche Wellenlängen haben, in unterschiedlichen Richtungen schwingen oder sich an verschiedenen Punkten in Raum und Zeit befinden.

„Wenn zwei in Wellenlänge und Schwingungsrichtung ununterscheidbare Photonen aufeinandertreffen und sich wieder trennen, haben sie gewissermaßen ihre Identität verloren“, erläutert Kurt Busch. „Man stelle sich vor, wir schicken zwei Zwillinge durch zwei Türen in einen gemeinsamen Raum. Wenn Sie wieder hinaustreten, können wir nicht feststellen, ob sie dazu jeweils dieselbe Tür benutzt haben oder nicht“, ergänzt Oliver Benson, Mitglied von IRIS Adlershof. In der Quantenmechanik passiert dennoch etwas. Laut dem sogenannten Symmetrisierungspostulat gibt es zwei Kategorien von Elementarteilchen: Bosonen und Fermionen. Diese Arten von Teilchen unterscheiden sich dahingehend, was passiert, wenn man sie miteinander vertauscht.


 
Lichtblick

Abbildung 1: Konzeptionelle Skizze des Interferometeraufbaus: a Ein verschränktes Photonenpaar (roter Strahl) wird in das Interferometer geleitet, welches zwei unterschiedliche Möglichkeiten am zentralen polarisierenden Strahlteiler (PBS) produziert, wie in b gezeigt: Entweder das Photon in Pfad 1 wird transmittiert und das Photon in Pfad 2 wird reflektiert oder genau umgekehrt. Die Quantensuperposition dieser Szenarien führt zu der Interferenz zwischen Zuständen, die physikalisch vertauschte Versionen voneinander sind, und offenbart die Teilchenaustauschphase ϕ_x. Der blaue Strahl wird von einem abgeschwächten Laser erzeugt und dient als Referenzsignal um die effektiven optischen Pfadlängenunterschiede, ϕ_1 und ϕ_2, zu bestimmen.



Im Beispiel hieße das, wenn jeder der Zwillinge den Raum aus der jeweils anderen Tür wieder verlässt. Bei Bosonen ändert sich nichts – bei Fermionen erhält die quantenmechanische Wellenfunktion, die die Teilchen beschreibt, einen Phasenschub, der auch Austauschphase genannt wird. „Im Zwillingsbeispiel kann man sich das vielleicht so vorstellen: Schicken wir die beiden Zwillinge im Gleichschritt in den Raum und kommen sie aus verschiedenen Türen wieder heraus, so sind sie weiterhin im Gleichschritt. Als Bosonen treten die Zwillinge mit demselben Bein voran aus dem Raum heraus, mit dem sie auch zuerst in Raum geschritten sind. Jedoch benötigen sie als Fermionen beide einen Schritt mehr und gehen beim Verlassen des Raumes nun mit dem anderen Bein voran“, so Benson. „Dass Photonen bosonisch sind, konnte bislang nur durch indirekte Messungen und mathematische Berechnungen gezeigt werden“, sagt Kurt Busch. „In unserem jüngsten Experiment haben wir die Teilchenaustauschphase von Photonen erstmals direkt gemessen und haben damit einen direkten Beleg für ihren bosonischen Charakter erbracht.“

Um die Austauschsymmetrie eines Zustandes für zwei identische Teilchen direkt nachzuweisen, hat das Team eine optische Apparatur mit einem Interferometer aufgebaut. Herzstück des Aufbaus – in der Größe eines kleinen Tisches – sind zwei Strahlteiler. Zwei Photonen wurden dann in das Interferometer geschickt und durch den Strahlteiler auf zwei verschiedene Wege geführt. Entlang einem der beiden Wege werden die Photonen miteinander vertauscht, während sie auf dem anderen unverändert bleiben. Am Ausgang des Interferometers wurden dann beide Photonen am zweiten Strahlteiler wieder überlagert. „Je nachdem, ob die Photonen bosonisch oder fermionisch sind, sind dann die beiden Photonen im Gleichschritt und verstärken sich oder sie sind außer Tritt und löschen sich aus“, erläutern die Physiker.


Zukünftige Verbesserungen des Interferometers werden ein neues Werkzeug für Präzisionsmessungen mit Quantenlicht bereitstellen. Gleichzeitig etabliert das Experiment eine neue Methode zur Erzeugung und Zertifizierung von Quanten-Zuständen von Licht. Dies ist sehr wichtig im neuen Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung, auf deren Basis derzeit neuartige, wesentlich leistungsfähigere Computer entwickelt werden.


Direct observation of the particle exchange phase of photons
K. Tschernig, C. Müller, M. Smoor, T. Kroh, J. Wolters, O. Benson, K. Busch, and A. Perez-Leija
Nat. Photonics (2021), DOI: 10.1038/s41566-021-00818-7

 

 
Real-time optical distance sensing of up-conversion nanoparticles with a precision of 2.8 nanometers
 
OLED

Calculated self-interference of a single nanoparticle
placed on a mirror substrate with a silica layer as the
spacer. (i), (ii) and (iii) show different cuts through the
far-field patterns of oriented dipoles oscillating along
the x,y and z-axis, respecitvely

Sub-diffraction limited localization of fluorescent emitters is a major goal of microscopy imaging. It is of key importance for so-called super-resolution, a technique that was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2014. A cooperation of researchers in Australia, China, the USA and IRIS Adlershof have now demonstrated ultra-precise localization and tracking of fluorescent nanoparticles dispersed on a mirror. The many randomly oriented molecular dipoles in such up-conversion nanoparticles (UCNPs) interfere with their own mirror images and create unique, bright and position-sensitive patterns in the spatial domain.

The pattern can be detected in the far-field by a sensitive camera and was compared to a detailed and quantitative numerical simulation. In this way it was possible to localize individual particles with an accuracy of only 2.8 nm, a value which is smaller than 1/350 of the excitation wavelength.

OLED

Simulated (topmost two rows) and experimental (bottommost two rows) far-field self-interference emission patterns.
The particle- to-mirror distance in- creases from the left to the right column from 72nm to 327nm. All scale bars are 500 nm.


The localization can be performed rapidly, and a single particle can be followed with a 50Hz frame rate. This is much faster than other self-interference-based methods based on mapping of the fluorescence spectrum. A special benefit of UCNPs is their high photo-stability and sensitivity, e.g. to temperature and PH. Therefore, the novel technique may be used for high-resolution multimodality single-particle tracking and sensing.

Axial Localization and Tracking of Self-interference Nanoparticles by Lateral Point Spread Functions
Y. Liu, Z. Zhou, F. Wang, G. Kewes, S. Wen, S. Burger, M. Ebrahimi Wakiani, P. Xi, J. Yang, X. Yang, O. Benson, and D. Jin
Nat. Commun. 12 (2021) 2019, DOI: 10.1038/s41467-021-22283-0

 

 Per Tintenstrahl gedruckte Elektroden in OLEDs

Forscher des HySPRINT-Verbundlabors GenFab (Generative Manufacturing Processes for Hybrid Components) der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) haben eine vom Berliner Unternehmen OrelTech hergestellte leitfähige Tinte erfolgreich in lösungsprozessierten organischen LEDs integriert.

OLED
Die OLEDs basierend auf der OrelTech Tinte leuchten
auch bei Verbiegen.

Nach dem Drucken der partikelfreien Silbertinte wird ein Argonplasma verwendet, um die Silberionen in der Tinte zu metallischem Silber zu reduzieren. „Da dieser Prozess bei niedriger Temperatur stattfindet, eignet er sich für temperaturempfindliche Substrate wie flexible Kunststofffolien“, erklärt Dr. Konstantin Livanov, Mitbegründer und Technischer Leiter von OrelTech. Die Forscher stellten organische Leuchtdioden unter Verwendung der Silbertinte als transparente leitende Elektrode auf dem flexiblen Substrat PET her. Die resultierenden Bauteile zeigen vergleichbare Lichtleistungseigenschaften wie diejenigen, die auf dem ansonsten weit verbreiteten Indiumzinnoxid (ITO) basieren. Entscheidend ist jedoch, dass die Silberelektroden beim mechanischen Biegen eine überlegene Stabilität gegenüber ITO zeigten. Dr. Felix Hermerschmidt, leitender Forscher im gemeinsamen Labor von HU und HZB, bestätigt: "Die auf der OrelTech-Tinte basierenden OLEDs bleiben noch bei solch einem Biegeradius intakt, bei dem die auf ITO basierenden OLEDs brüchig werden und versagen." Dies eröffnet verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für die gedruckten Bauelemente. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift "Flexible and Printed Electronics" veröffentlicht und ist Open Access verfügbar. GenFab, unter der Leitung des IRIS Adlershof Mitglieds Prof. List-Kratochvil, zieht für weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in Labore und Büros im neuen IRIS-Forschungsgebäude ein.

ITO-free OLEDs utilizing inkjet-printed and low temperature plasma-sintered Ag electrodes,
M. Hengge, K. Livanov, N. Zamoshchik, F. Hermerschmidt, and E..J. W. List-Kratochvil
Flex. Print. Electron. 6 (2021) 015009, DOI: 10.1088/2058-8585/abe604



WEITERE SCIENTIFIC HIGHLIGTHS

  
 

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Hybrid Organic-Inorganic Perovskites: Promising Substrates for Single-Atom Catalysts

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