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VERÖFFENTLICHUNG IN NATURE COM­MU­NI­CA­TIONS

Arbeits­gruppe um Dr. Marc Aßmann findet exotische Wechsel­wir­kungen in Halbleitern

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in
  • Forschung
Eine Detailaufnahme eines Lasers im Labor in dunkel grünen Farben. © Roland Baege​/​TU Dortmund
Das Team um Dr. Marc Aßmann hat zwei Laserstrahlen maßgeschneidert, um zielgenau die Wechsel­wir­kungen von Rydbergexzitonen zu un­ter­su­chen.

Ein For­schungs­team um die Arbeits­gruppe von Dr. 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. Die Er­geb­nisse wurden kürz­lich in der re­nom­mier­ten Fach­zeitschrift Nature Com­mu­ni­ca­tions ver­öf­fent­licht.

Exzitonen sind wasserstoffartige, gebundene Zustände aus negativ geladenen Elek­tro­nen und positiv geladenen Elektronfehlstellen – sogenannten Löchern – 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, also die Sensitivität auf äußere elektrische Felder, so­gar 1,2 Milliarden Mal größer ist. Diese Ei­gen­schaf­ten ma­chen Rydbergexzitonen sehr in­te­res­sant für Präzisionssensorik.

Untersuchungen mit maß­ge­schnei­derten Laserstrahlen

Dr. Julian Heckötter hat im Rah­men seiner Doktorarbeit, die mit dem Wilhelm und Else-Heraeus-Dis­ser­ta­ti­ons­preis der Dort­mun­der Fa­kul­tät Physik aus­ge­zeich­net wurde, 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 Dr. 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 Dr. Valentin Walther aus Harvard, Prof. Thomas Pohl aus Aarhus und Prof. Stefan Scheel aus Rostock ließ sich dieses Phänomen aufklären. De­tail­lier­te Computersimulationen zeigten, dass die Ursache dafür in Van-der-Waals-Wechsel­wir­kungen liegt. Hier handelt es sich um dieselben Kräfte, die überwiegend dafür verantwortlich ge­macht wer­den, dass Geckos an Wänden und Decken entlanglaufen kön­nen.

Die Er­geb­nisse des in­ter­dis­zi­pli­nä­ren For­schungs­teams wurden kürz­lich in der re­nom­mier­ten Fach­zeitschrift Nature Com­mu­ni­ca­tions ver­öf­fent­licht. Gefördert wurde das Projekt u.a. im Rah­men des ge­mein­samen Deutsch-Russischen Sonderforschungsbereiches TRR 160, an dem Forschungsinstitutionen in Dort­mund und St. Petersburg be­tei­ligt sind.

Original-Publikation

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