Forschung

Exzentrische Exzitonen

19.02.2021 - Attosekunden-Experiment offenbart zugleich atom- und festkörperartiges Verhalten der Exzitonendynamik.

Exzitonen in Festkörpern bestehen aus einem negativ geladenen Elektron und einem positiv geladenen Loch. Sie sind Quasi­teilchen, die Energie durch feste Stoffe transportieren können. Dies macht sie hoch­relevant für die Entwicklung neuartiger Materialien und Technologien – aber es bedarf weiterer Forschung, um das Verhalten und die mögliche Manipulation von Exzitonen zu verstehen. Exzitonen sind ein Viel­teilchen­effekt, der durch die Wechselwirkung mehrerer Teilchen entsteht, insbesondere wenn ein starker Lichtpuls auf den Fest­körper trifft. Im letzten Jahrzehnt haben Forscher Viel­teilchen­effekte bis hinunter zur unvorstellbar kurzen Zeitskala von Attosekunden beobachtet. 
 

Aufgrund der komplexen, ultraschnellen Elektronen­dynamik bei der Wechselwirkung vieler Teilchen haben Wissenschaftler jedoch noch kein grund­legendes Verständnis der Dynamik von Exzitonen und anderen Vielteilchen­effekten erreicht. Ein Forschungsteam vom Politecnico di Milano in Italien, der Universität Tsukuba in Japan und dem Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg wollte die licht­induzierte Exzitonendynamik in MgF2-Einkristallen untersuchen. Hierzu setzten sie modernste Attosekunden-Transienten-Reflexions­spektroskopie und mikroskopische theoretische Simulationen ein. 

Durch die Kombination dieser Methoden entdeckte das Team eine völlig neue Eigenschaft von Exzitonen: Die Tatsache, dass sie gleichzeitig atomare und festkörper­ähnliche Eigenschaften aufweisen können. In Exzitonen mit atomarem Charakter sind die Elektronen und Löcher durch ihre Coulomb-Anziehungskraft eng aneinander­gebunden – wie die Elektronen an den Atomkern. In Exzitonen mit festkörper­ähnlichem Charakter hingegen bewegen sich die Elektronen freier im Festkörper, fast wie Wellen im Ozean.

Erstautor Matteo Lucchini vom Politecnico di Milano sagt, dies sind wegweisende Erkenntnisse: „Wenn wir verstehen, wie Exzitonen auf diesen extremen Zeitskalen mit Licht interagieren, zeigt uns dies auch, wie man unter Nutzung ihrer einzig­artigen Eigenschaften eine neue Klasse von elektro-optischen Geräten entwickeln könnte.“

In ihrem Attosekunden-Experiment gelang es den Forschern erstmals, die Sub-Femtosekunden-Dynamik von Exzitonen zu beobachten, wobei die Signale aus langsamen und schnellen Komponenten bestehen. Dieses Phänomen erklärt das Team mit komplexen theoretischen Simulationen, ergänzt Co-Autor Shunsuke Sato vom MPSD und der Universität Tsukuba: „Unsere Berechnungen zeigen, dass die langsamere Komponente des Signals aus dem atomaren Charakter des Exzitons und die schnellere Komponente aus dem festkörperähnlichen Charakter stammt. Dies ist eine wichtige Entdeckung, die die Koexistenz des dualen Charakters von Exzitonen demonstriert!“

Diese Arbeit eröffnet neue Wege für die licht­gesteuerte Manipulation von exzitonischen sowie von Material­eigenschaften. Sie bietet neue Einblicke für das vertiefte Verständnis der Nicht-Gleichgewichts-Elektronen­dynamik in Materie und liefert viel grundlegendes Wissen für die Entwicklung zukünftiger ultraschneller optoelektronischer Bauelemente, Elektronik, Optik, Spintronik und Exzitonik. 

MPSD / DE
 

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