Forschung

Tieferer Einblick in dunkle Exzitonen

08.12.2020 - Analyse weist auf mögliche Störeffekte in Leuchtdioden hin.

Leuchtdioden sind heute in Smartphones, Fernsehern und Lampen eingebaut und aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Zur Licht­erzeugung werden in einen Kristall negative und positive elektrische Ladungen injiziert. Wenn zwei aufeinandertreffen, wandeln sie sich in Licht um und zerfallen. Zuvor gehen sie jeweils einen gebundenen Zustand ein. Diese Exzitonen können nur bestimmte Energien aufweisen, die durch die Quanten­mechanik vorgegeben werden. Jeder licht­emittierende Kristall zeigt eine spezifische Serie von Energie­zuständen der Exzitonen, deren Werte vom Material abhängen. Will man dieses optimieren, so benötigt man Rückschlüsse auf die Exzitonen und ihre charak­teristischen Energien. Erstmals nachgewiesen wurden Exzitonen im Material Kupferoxydul.

Neben den hellen, licht­emittierenden Exzitonen gibt es auch dunkle Exzitonen, die nicht in Licht zerfallen können. Über eine quanten­mechanische Austausch-Wechselwirkung unterscheiden sich ihre Energien von denen der hellen Exzitonen. Bisher konnte in allen bekannten Materialien, auch in Kupfer­oxydul, nur der niedrigste Grundzustand dieser dunklen Exziton­materie beobachtet werden. Ihrem Namen entsprechend waren diese Zustände bisher dunkel und verborgen geblieben. Nun konnten die Dortmunder Physiker erstmals einen vertieften Einblick in die dunkle Exziton­welt gewinnen. Dafür wurden starke Magnetfelder benutzt, um dunkle und helle Exzitonen miteinander zu mischen. Zudem kam eine spezielle experi­mentelle Technik zum Einsatz, bei der zwei Photonen mit jeweils halber Exziton-Energie genutzt werden, um das dunkle Exziton anzuregen. Wenn dieses wieder zerfällt, entsteht ein Photon, welches sich beobachten lässt. Nur durch diesen Trick lassen sich die extrem schwachen Signale überhaupt messen.

So gelang es dem Forschungsteam, die sechs energetisch niedrigsten dunklen Exzitonen zu beobachten und die Austausch­energie systematisch zu vermessen. Auf Basis der Quanten­mechanik zeigten sich deutliche Unterschiede zur Atomphysik und ihren Vorhersagen. So sollten die Energien der dunklen Exzitonen systematisch unter denen der hellen Exzitonen liegen. Die Dortmunder Forscher fanden aber eine Ausnahme, nämlich den Zustand mit der zweitniedrigsten Energie. Hier ist die Reihen­folge umgedreht, das helle Exziton hat eine niedrigere Energie als das dunkle. Auch die Ursache hierfür konnten sie klären: Das helle Exziton steht in starker Kopplung mit einem anderen Exziton von höherer Energie, und wann immer eine solche Kopplung vorliegt, stoßen sich die beiden betei­ligten Niveaus ab. Dadurch wird die Energie des hellen Exzitons abgesenkt, während sich die des dunklen Exzitons kaum ändert. Als Konsequenz wird ihre Reihenfolge gedreht.

Mit dieser Erkenntnis können nun der Einfluss der dunklen Exzitonen und die Möglich­keit zu ihrer Mani­pulation besser verstanden werden. So können dunkle Exzitonen die Helligkeit einer Leucht­diode massiv stören, zum Beispiel dadurch, dass sich die Exzitonen im energetisch niedrigsten dunklen Zustand anhäufen. Umgekehrt könnte Information auch in dunklen Exzitonen gespeichert werden, da sie eben nicht zerfallen. Hier ergeben sich neue Per­spektiven für ihre konstruktive Nutzung.

TU Dortmund / JOL

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