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VERÖFFENTLICHUNG IN NATURE COM­MU­NI­CA­TIONS

Ar­beits­gruppe um Dr. Marc Aßmann findet exotische Wechsel­wir­kungen in Halb­lei­tern

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  • For­schung
weitere Detailaufnahme Laserlabor Prof. Bayer - grüner Laser in dunklem Raum © 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 Ryd­berg­ex­zi­to­nen­zu­stand 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.

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