Forschung

Blockade zwischen Exitonen

27.07.2021 - Exotische langreichweitige Wechselwirkungen in Halbleitern entdeckt.

Ein Forschungsteam um die Arbeitsgruppe von Marc Aßmann von der Fakultät Physik der TU Dortmund hat in einer länder­übergreifenden Kooperation mit Partnern der Universitäten Rostock, Aarhus und Harvard die außergewöhnlich starken Wechsel­wirkungen von Rydberg­exzitonen in Kupferoxydul untersucht. Dabei entdeckte die Gruppe einen Blockade­effekt zwischen Exzitonen, die mit einer Größe von mehreren Mikrometern wie Riesen im quanten­mechanischen System erscheinen. Die Steuer­barkeit solcher Effekte ist hochrelevant für optische Schaltungen und die Quanten­informations­verarbeitung. 

Exzitonen sind wasserstoff­artige, gebundene Zustände aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Elektron­fehlstellen in einem Halbleiter. Sie spielen in so verschiedenen Bereichen wie organischen Solarzellen, der Photo­synthese oder Halbleiter-Lasern eine wichtige Rolle. Analog zum Wasserstoff gibt es auch bei Exzitonen angeregte Zustände. Exzitonen in hoch­angeregten Zuständen, die Rydberg­exzitonen, zeigen dabei erstaunliche Eigenschaften, die umso stärker sind, je höher die Quantenzahl des angeregten Zustands ist: So ist das Volumen des zwanzigsten angeregten Zustands eines Exzitons bereits 64 Millionen Mal so groß wie im Grundzustand, während die Polarisier­barkeit sogar 1,2 Milliarden Mal größer ist. Diese Eigenschaften machen Rydberg­exzitonen sehr interessant für Präzisions­sensorik.

Julian Heckötter hat im Rahmen seiner Doktorarbeit die Wechsel­wirkungen zwischen mehreren solcher Rydberg­exzitonen in unter­schiedlichen Zuständen untersucht. Er hat dazu zwei Laserstrahlen so maßgeschneidert, dass jeder Strahl einen genau definierten Rydberg­exziton­zustand erzeugt, und konnte dadurch zielgenau die Wechsel­wirkungen zwischen beiden Zuständen vermessen. Hierbei konnte er einen komplexen Blockadeeffekt nachweisen. „Wir haben festgestellt, dass sich um jedes Exziton herum eine Kugel ausbildet, in der keine weiteren Exzitonen erzeugt werden können“, sagt Marc Aßmann. „Die Exzitonen müssen einen gewissen Mindest­abstand zueinander einhalten, der mehrere Mikrometer groß werden kann“. 

Dabei zeigte sich auch eine systema­tische Asymmetrie, die davon abhängt, ob die Auswir­kungen auf ein größeres oder ein kleineres Exziton untersucht werden. Zusammen mit den Theo­retikern Valentin Walther aus Harvard, Thomas Pohl aus Aarhus und Stefan Scheel aus Rostock ließ sich dieses Phänomen aufklären. Detaillierte Computer­simulationen zeigten, dass die Ursache dafür in Van-der-Waals-Wechsel­wirkungen liegt. 

TU Dortmund / JOL

Weitere Infos

LINOS Microbench Webinar on September 15, 2021

Skillful Use of the Original 30 mm Optical Cage System

More information

High Tec - Jobbörse vom 27.-30.09.2021

Die innovativen Unternehmen Exyte, HERAEUS, TRUMPF und ZEISS präsentieren Karriere- und Beschäftigungs- möglichkeiten in ihren Berufsfeldern. Sie richten sich an Physiker:innen und Studierende in MINT-Fächern, an Young Professionals und an Berufserfahrene.

Jetzt kostenfrei anmelden

LINOS Microbench Webinar on September 15, 2021

Skillful Use of the Original 30 mm Optical Cage System

More information

High Tec - Jobbörse vom 27.-30.09.2021

Die innovativen Unternehmen Exyte, HERAEUS, TRUMPF und ZEISS präsentieren Karriere- und Beschäftigungs- möglichkeiten in ihren Berufsfeldern. Sie richten sich an Physiker:innen und Studierende in MINT-Fächern, an Young Professionals und an Berufserfahrene.

Jetzt kostenfrei anmelden