Forschung

Exzitonen auf Gegenkurs

27.01.2022 - Physiker verfolgen das Leuchten mobiler Quasiteilchen in dünnen Schichten.

Eine extrem ungewöhnliche Teilchen­bewegung in atomar-dünnen Halbleitern wurde durch Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler des Würzburg-Dresdner Exzellenz­clusters ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenm­aterialien – erstmals experimentell bestätigt: Elektronische Quasi­teilchen – Exzitonen – scheinen sich demnach gleichzeitig in entgegen­gesetzte Richtungen zu bewegen. Ausprägungen dieses neuartigen Quanten­phänomens konnten Alexey Chernikov und sein Team an der Technischen Universität Dresden mittels extrem schneller Mikroskopie bei ultra­tiefen Temperaturen sichtbar machen. Den Forschenden ist es gelungen, das Leuchten mobiler Exzitonen nachzu­verfolgen. Mit ihrer Entdeckung rückt der Quanten­transport exzitonischer Vielteilchen­zustände in den Fokus moderner Forschung.

Exzitonen verhalten sich wie eigenständige Teilchen und können Licht hocheffizient aufnehmen und abgeben. In atomar-dünnen Schichten sind sie von etwa minus 268° Celsius sogar bis zu Raum­temperatur stabil. Zu seinem aktuellen Forschungs­projekt, das die Bewegung von Exzitonen in ultradünner Materie in den Fokus nimmt, erklärt Chernikov: „Exzitonen sind eine Art bewegliche Lichtquellen, die wie andere quanten­mechanische Objekte sowohl Wellen- als auch Teilchen­eigenschaften besitzen und sich in atomar-dünnen Schichten ausbreiten. Damit können sie sowohl Energie als auch Informationen speichern und transportieren, diese aber auch als Licht wieder abgeben. Das macht sie für uns besonders interessant.“ 

Mit hoch­sensitiver optischer Mikroskopie wurden die ultraschnellen Bewegungen der Exzitonen in atomar-dünnen Halbleitern sichtbar gemacht: „Zunächst haben wir einen sehr kurzen Laserimpuls auf die Material­schicht gegeben und damit die Exzitonen erzeugt. Anschließend beobachteten wir mit einem superschnellen Detektor, wann und wo das Licht wieder ausstrahlt. Als wir aber die Experimente bei sehr tiefen Temperaturen wiederholten, war die Bewegung der Quasiteilchen wirklich verblüffend“, so Chernikov. Bisher kannte die Fachwelt vor allem zwei mögliche Arten der Bewegung für Exzitonen: Entweder „springen“ diese von einem Molekül zum anderen  – oder sie bewegen sich ganz „klassisch“ wie Billard­kugeln, die durch zufällige Stöße ihre Richtung ändern. „In den ultradünnen Halbleitern haben sich die Exzitonen so verhalten, wie wir es noch nie zuvor gesehen haben. Die einzig mögliche Erklärung war, dass sich die Exzitonen in Ringschleifen zur gleichen Zeit in entgegen­gesetzte Richtungen bewegen. Ein solches Verhalten kannte man zwar von einzelnen Elektronen. Dies allerdings bei leuchtenden Exzitonen experimentell zu beobachten – das war ganz ungewöhnlich“, betont Chernikov.

Nachdem alle Kontroll­experimente das Ergebnis ebenfalls bestätigten, suchten die Wissenschaftler nach der Ursache für ihre unge­wöhnliche Beobachtung. Mikhail M. Glazov vom Ioffe Institut in Sankt Petersburg lieferte den Schlüssel: Glazov beschreibt, wie sich Exzitonen in atomar-dünnen Halbleitern auf abge­schlossenen, ringartigen Bahnen bewegen und für eine Weile einen überlagerten Zustand einnehmen können. Dies bedeutet, dass sich das Exziton in diesem Moment zugleich im und gegen den Uhrzeigersinn zu bewegen scheint. Dieser Effekt ist ein rein quanten­mechanisches Phänomen, welches es bei klassischen Teilchen nicht gibt. Gemeinsam mit dem Team von Ermin Malic von der Philipps-Univer­sität Marburg, das weitere Einblicke in die Dynamik von Exzitonen lieferte, konnten die Wissen­schaftler dem ungewöhnlichen Verhalten auf die Spur kommen.

Das Team von Alexey Chernikov hat gemeinsam mit internationalen Kollegen einen Weg aufgezeigt, um quanten­mechanische Effekte in der Bewegung wechsel­wirkender Vielteilchen­komplexe experimentell nachzuweisen. Dennoch steht die Erforschung des Quantentransportes exzi­tonischer Quasi­teilchen noch ganz am Anfang. In Zukunft könnten Materialien wie die von Chernikov untersuchten ultradünnen Schichten eine Basis für neuartige Laserquellen, Licht­sensoren, Solarzellen oder auch Bausteine für Quanten­computer sein.

TU Dresden / JOL

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