Neue Erkenntnisse zum Verhalten von Exzitonen in Halbleitern

Ein Exziton in einem Halbleiter ist ein Quasiteilchen, das aus einem negativ geladenen Elektron und einem positiv geladenen Loch entsteht. Wie sich eine große Anzahl Exzitonen in einem Halbleiter verhält, ist eine aktuelle Forschungsfrage der Quantenmechanik. Denn diese Dynamik von Exzitonen spielt in verschiedenen Zusammenhängen eine wichtige Rolle, beispielsweise beim Energietransport in optoelektronischen Halbleiterbauelementen oder bei der Entwicklung neuartiger Quantentechnologien. Bisher nutzten Wissen­schaft­ler*innen spezielle Spektroskopie-Techniken, um die charakteristischen linearen Reaktionen der Exzitonen zu untersuchen. Solche Methoden zeigen beispielsweise, dass die beobachteten optischen Eigenschaften direkt mit der Stärke der Anregung skalieren.

Dem Dortmunder Team ist es nun gelungen, auch starke und empfindliche nichtlineare Reaktionen der Exzitonendynamik zu entschlüsseln. Nichtlineare Effekte spielen auch in der Akustik eine wichtige Rolle. Ein Beispiel ist der Klang einer elektrischen Gitarre, der sich stark verändert, wenn die Gitarre über einen Verstärker gespielt wird – besonders wenn dieser laut aufgedreht ist. In diesem Fall entstehen zusätzlich zu den Grundtönen sogenannte höhere Harmonische – also Schwingungen mit einem Vielfachen der ursprünglichen Frequenz der Gitarrensaite. Diese zusätzlichen Frequenzen sind ein Ergebnis nichtlinearer Verzerrung im Verstärker.

Um solche nichtlinearen Effekte auch in der Exzitonendynamik, die zum Beispiel bei hohen Exzitonendichten oder intensiven Anregungen auftreten, zu beobachten, nutzten die Physiker*innen eine besondere zeitaufgelöste optische Spektroskopie. Hierbei setzten sie ein Terahertz-Feld analog zum Gitarrensignal ein: Das Team nutzte einen optischen Pumpstrahl, um freie Elektronen und Löcher zu erzeugen. Dann schickte es einen kurzen Terahertz-Puls durch die Probe, um zu untersuchen, wie stark dieser verzerrt wird. Es zeigte sich, dass die von Exzitonen ausgelöste Verzerrung ganz anders aussieht als die Verzerrung, die durch freie Elektronen ausgelöst wird. Damit ist es gelungen, die Dynamik zahlreicher Exzitonen in der Halbleiterverbindung Kupferoxid (Cu₂O) trotz der starken Wechselwirkungen zwischen den Exzitonen, Elektronen und Löchern zu beobachten.

„Wir konnten zeigen, dass die Exzitonen sehr kurz nach der optischen Erzeugung freier Elektronen und Löcher entstehen – nämlich bereits nach wenigen Pikosekunden, also nach 10^-12 Sekunden“, betont Prof. Zhe Wang von der Fakultät Physik. „Das ist besonders interessant, da wir dadurch besonders einfache experimentelle Kriterien gefunden haben, um zuverlässig Exzitonen von freien Elektronen und Löchern unterscheiden zu können.“ Die Erkenntnisse des Dortmunder Teams sind für Forscher*innen interessant, die künftig die Dynamik von Exzitonen in verschiedenen Kontexten untersuchen wollen.

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