Quantentröpfchen aus Elektronen und Löchern

  • 27. February 2014

Neuartiges Quasiteilchen entsteht, wenn Halbleiter mit Laserlicht bestrahlt werden.

Außergewöhnliche Entdeckungen erfordern außergewöhnliche Erklärungen: Einfallsreichtum war gefragt, als die Physiker Martin Mootz, Mackillo Kira und Stephan W. Koch von der Philipps-Universität mit den unerklärlichen Versuchsergebnissen ihrer Kollegen an der Universität von Colorado konfrontiert waren. „Wir konnten eine bislang unbekannte, stabile Konfiguration in einem Vielteilchensystem identifizieren, indem wir ein neuartiges theoretisches Konzept anwendeten“, erklärt Kira.

Abb.: Unter geeigneten Bedingungen entstehen in Halbleitern Tröpfchen aus Elektronen und positiv geladenen Fehlstellen, wie sich durch Laserspektroskopie nachweisen lässt. (Bild: A. E. Almand-Hunter et al. NPG)

Abb.: Unter geeigneten Bedingungen entstehen in Halbleitern Tröpfchen aus Elektronen und positiv geladenen Fehlstellen, wie sich durch Laserspektroskopie nachweisen lässt. (Bild: A. E. Almand-Hunter et al. NPG)

Die amerikanischen Partner um Steven Cundiff hatten Laserlicht verwendet, um eine Halbleiter-Verbindung aus Gallium und Arsen zu bestrahlen. Im Halbleiter befinden sich danach freie Elektronen und Löcher, an denen derartige Elektronen fehlen. Eine solche Fehlstelle verhält sich wie eine positive Ladung; zusammen mit dem negativ geladenen Elektron kann sie ein Quasiteilchen bilden, das einem Wasserstoffatom entspricht.

Die Experimente zeigten Effekte, die nicht zu den bislang bekannten Quasiteilchen passen: Die neu entdeckten Dropletons verhalten sich wie Flüssigkeiten, sind aber so klein, dass sie quantenphysikalische Eigenschaften aufweisen wie ein Atom. „Quantentröpfchen bestehen aus wenigen Paaren von Elektronen und Löchern – je vier, fünf oder sechs davon“, führt Kira aus. Sobald die Quasiteilchen zu groß werden, löst sich die Verbindung zwischen Elektronen und Löchern. „Physikalisch lassen sich Quantentröpfchen als eine Art Blase im umgebenden dichten Plasma beschreiben“, ergänzt Stephan W. Koch.

Die Lebensdauer der Quasiteilchen beträgt nur etwa 25 billionstel Sekunden. „Das reicht aber, um sie künftig noch genauer zu erforschen“, sagt Martin Mootz aus der Marburger Arbeitsgruppe für Theoretische Halbleiterphysik.

Erst vor zwei Jahren legten Stephan W. Koch und Mackillo Kira einen neuen Theorierahmen für die Quanten-Laserspektroskopie vor. Die Arbeiten an der aktuellen Publikation wurden unter anderem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die Alexander-von-Humboldt-Stiftung gefördert.

U. Marburg / PH

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