Magnetische und optische Eigenschaften eines zweidimensionalen Kristalls kontrolliert

„In Kooperation mit unseren internationalen Partnern wurde ein neues Regime der Wechselwirkung von Licht und Magnetismus gefunden, das viele spannende Ergebnisse für die Zukunft erwarten lässt“, sagt Prof. Ilya Akimov von der Fakultät Physik der TU Dortmund, der auf Dortmunder Seite zentrale Untersuchungen zur Magnetisierungsdynamik geleitet hat.

Um ihr Ziel zu erreichen, mussten die Wissenschaftler*innen zunächst die neue Materialstruktur zielgerichtet „zusammenbauen“. Ausgangspunkt für die neue Struktur war eine ein-atomare Lage von Molybdän-Diselenid (MoSe2), das für seine intensive Absorption und Emission von Licht bekannt ist. Dieser MoSe2-Lage sollten magnetische Eigenschaften aufgeprägt werden: Dazu wurde sie auf einen ultradünnen Europium-Sulfid-Kristall (EuS) aufgebracht. Die gewünschten magnetischen Eigenschaften wurden erreicht, indem Elektronen aus dem Europium-Sulfid in MoSe2 injiziert wurden, so dass sich darin ein zweidimensionales Elektronengas ausbildete. Das zweidimensionale Elektronengas wurde schließlich selbst zum Magneten, da es bei Anlegen eines externen Magnetfelds „spin-polarisiert“ wird.

Starke Kopplung zwischen Licht und Material

Um nicht nur die magnetische, sondern auch eine optische Kontrolle des Materials möglichst effizient zu gestalten, musste das Team die Wechselwirkung von Licht mit MoSe2 so manipulieren, dass alles auftreffende Licht im Material gefangen wird. MoSe2 absorbiert Licht zwar bereits sehr effizient, aber eben noch nicht vollständig. Ermöglicht wurde diese Eigenschaft durch Einbetten des Materials zwischen zwei Spiegeln mit einem genau kontrollierbaren Abstand von weniger als einem Millionstel Meter. Mit diesem Trick konnte das sogenannte „Regime der starken Kopplung zwischen Licht und Material“ erreicht werden.

Beleuchtet man das System nun mit einem Laser, wird jedes Photon des Laserlichts eingefangen, indem pro Photon ein Elektron in einen Zustand höherer Energie gebracht wird. Diesen mittels Licht erzeugten Zustand nennt man Exziton. Das Exziton greift sich nun ein Elektron aus dem zweidimensionalen Elektrongas und bildet ein neues Teilchen, das als Trion bekannt ist und das in Wechselwirkung mit dem Elektrongas-Magneten tritt. Dieses Trion ist über seinen Spin auch magnetisch: Der Spin kann parallel oder antiparallel zur Magnetisierung des zweidimensionalen Elektronengases sein.

Unterschiedliche Wechselwirkung

Dementsprechend unterschiedlich sind die Konsequenzen aufgrund dieser Wechselwirkung: Die Oszillatorstärke des Trions, also seine Licht-Materie-Kopplung, hängt von der Spinpolarisierung des Elektrongases ab. Ist das Elektronengas vollständig polarisiert mit Spin parallel zum Magnetfeld, kann sich kein Trion mehr bilden, da es dafür ein Elektron mit Spin antiparallel zum Magnetfeld bräuchte: Die Oszillatorstärke, also seine Kopplungsstärke an Licht, ist für ein solches Trion durch die Spinpolarisierung auf Null gesunken.

Die Schlüsse, die das Team daraus zieht, lauten: Das Trion zeigt starke Licht-Materie-Wechselwirkung für parallele Orientierung, im antiparallelen Fall ist sie durchbrochen. In der Konsequenz fällt die Reaktion auf ein externes Magnetfeld fünfmal stärker aus als für ein Trion in einer einfachen MoSe2–Schicht. Damit konnten die Forscher*innen zeigen, dass die optischen Eigenschaften der MoSe2–Schicht durch das externe Magnetfeld präzise gesteuert werden können. Umgekehrt bestimmt die optische Anregung die magnetische Antwort: Je mehr Trionen durch den Laser erzeugt werden, desto mehr wird die Stärke der Licht-Materie-Wechselwirkung reduziert.

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