Januar 16, 2021

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Erster Nachweis dunkler Exzitonen – Wissenschaftler beobachten erstmals versteckte Arten von Partikeln im Halbleiter

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Licht im Dunkeln: Zum ersten Mal haben Wissenschaftler eine Art Partikel in Halbleitern entdeckt, die bisher nur theoretisch vorhergesagt wurde – “dunkle Exzitonen”. Sie bestehen aus einem durch Licht angeregten Elektron, kombiniert mit einem “Elektronenloch” mit einem anderen Impuls. Die experimentellen Beweise für diese Quasiteilchen zeigen nun ihre Eigenschaften und auch, dass sie noch mehr sind als ihre „hellen“ Gegenstücke, wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Science“ berichten.

Bereits in den 1960er Jahren sagten Physiker die Existenz von Exzitonen voraus – Quasiteilchen, die sich bei Anregung durch Licht in einem Halbleiter bilden. Elektronen wechseln in einen höheren Energiezustand und springen in den Leiterstreifen des Materials. Ein positiv geladenes Elektronenloch bleibt in seiner ursprünglichen Position. Dies verbindet sich mit dem “gefederten” Elektron und beide bilden ein Quasiteilchen, das sich durch den Kristall bewegen kann.

Versuchsaufbau: Ein Laserpuls regt das Halbleitermaterial an. Ultraschnelle UV-Laserpulse schlagen dann die Exzitonen der Elektronen aus dem Material. Das Photoemissionselektronenmikroskop misst dann ihre Energie und ihren Impuls. © OIST

Unsichtbare Quasiteilchen

Einige dieser kurzlebigen Exzitonen haben Wissenschaftler vor einigen Jahren entdeckt bewiesen. Denn diese “hellen” Exzitonen interagieren mit Licht und können daher mit speziellen spektroskopischen Methoden nachgewiesen werden. Bei den “dunklen Exzitonen” ist die Situation anders: Bei ihnen unterscheiden sich der Impuls des Elektrons und das Elektronenloch voneinander, was sie für gewöhnliche Nachweismethoden unsichtbar macht.

“Wir wissen, dass sie existieren, aber wir können sie nicht sehen und nicht direkt untersuchen”, erklärt der Erstautor Julien Madeo vom Okinawa Institute of Science and Technology. “Daher wissen wir nicht, wie stark sie die optoelektronischen Eigenschaften solcher Halbleitermaterialien beeinflussen.” Jetzt haben er und sein Team eine Methode entwickelt, mit der auch diese unsichtbaren Quasiteilchen nachgewiesen werden können.

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Elektronen zeigen das Vorhandensein der dunklen Exzitonen

Für ihr Experiment verwendeten Physiker eine Atomschicht aus dem Halbleitermaterial Wolframdiselenid (WSe)2) und begeisterte es mit ultraschnellen Laserpulsen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich. Dann schossen die Forscher mit Laserpulsen im extremen UV-Bereich auf das Material. Diese energiereichen Impulse trennen die Quasiteilchen und werfen ihre Elektronen aus dem Material.

Der Impuls und der Energiegehalt dieser emittierten Elektronen können dann abgelesen werden, ob sie von Exzitonen stammen und welche. “Es war nicht klar, wie gut diese Technik für Exzitonen funktionieren würde”, sagte Madeos Kollege Michael Man. Dies liegt daran, dass diese Quasiteilchen eine extrem kurze Lebensdauer haben, weshalb die zeitliche und räumliche Auflösung der für die Messung verwendeten Photoemissionselektronenmikroskopie sehr hoch sein sollte.

Erfolgreicher Beweis

Aber das Experiment war erfolgreich: “Nachdem wir alle technischen Probleme gelöst und das Instrument eingeschaltet hatten, tauchten die Exzitonen tatsächlich auf unserem Bildschirm auf – es war wirklich unglaublich”, sagt Man. Mit dem gemessenen Impuls konnten er und seine Kollegen die Signaturen der hellen K-Exzitonen von den dunklen Q-Quasi-Teilchen mit “verbotenem Impuls” klar unterscheiden. Zum ersten Mal waren die dunklen Exzitonen direkt nachweisbar.

helle und dunkle Exzitonen
Hinweise auf die dunklen Exzitonen (rot) und ihre hellen Gegenstücke (blau). © Madeo et al./Science 2020, OIST

Ebenfalls interessant: Die Messungen ergaben, dass die dunklen Exzitonen im angeregten Halbleiter eine längere Lebensdauer haben als die hellen – und dass helle Exzitonen in ihre dunklen Gegenstücke umgewandelt werden können. Nach kurzer Zeit beginnt sogar die dunkle Variante dieser Quasiteilchen im Halbleiter zu dominieren.

“Wie erwartet kam K-Expressioner sehr schnell”, berichtet Madeo und sein Team. “Später sahen wir eine deutliche Anreicherung der dunklen Q-Exzitonen.” Ihre Menge verdoppelte dann die Menge an leichten Exzitonen. Gleichzeitig zeigten die Messungen jedoch auch, dass sich die dunklen Quasiteilchen unter bestimmten Bedingungen wieder in ihre hellen Gegenstücke verwandeln können.

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Wichtig für die Halbleiterforschung und Optoelektronik

“Die Dominanz der dunklen Exzitonen und die Wechselwirkung zwischen ihnen und den hellen Exzitonen legen nahe, dass diese unsichtbaren Quasiteilchen die Eigenschaften zweidimensionaler Halbleiter noch stärker als erwartet beeinflussen”, sagt Madeo. Dieses Wissen könnte weitreichende Auswirkungen auf die Verwendung und Entwicklung solcher Halbleitermaterialien haben – beispielsweise in der Quantenkommunikation oder in anderen Bereichen der Optoelektronik.

“Diese Technologie ist ein echter Durchbruch”, sagt Madeos Kollege Keshav Dani. „Damit können wir nicht nur zum ersten Mal dunkle Exzitonen und ihre Eigenschaften beobachten. Es eröffnet auch eine neue Ära in der Untersuchung von Exzitonen und anderen angeregten Teilchen. ”(Wissenschaft, 2020; doi: 10.1126 / science.aba1029)

Quelle: Okinawa Institut für Wissenschaft und Technologie (OIST), AAAS

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