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Erste Entdeckung dunkler Exzitonen – Forscher beobachten erstmals versteckte Arten von Partikeln in Halbleitern

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Licht im Dunkeln: Zum ersten Mal haben Forscher einen Teilchentyp in Halbleitern entdeckt, der bisher nur theoretisch vorhergesagt wurde – “dunkle Exzitonen”. Sie bestehen aus einem durch Licht angeregten Elektron, das von einem “Elektronenloch” mit einem anderen Impuls begleitet wird. Experimentelle Beweise für diese Partikel zeigen nun ihre Eigenschaften und auch, dass sie noch zahlreicher 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 in einem Halbleiter bilden, wenn dieser durch Licht angeregt wird. Die Elektronen wechseln in einen Zustand höherer Energie und werden in das Leiterband des Materials geworfen. Ein positiv geladenes elektronisches Loch bleibt in seiner ursprünglichen Position. Dieses Paar führt zum “geblasenen” Elektron und die beiden bilden zusammen ein Teilchen, das sich durch den Kristall bewegen kann.

Versuchsaufbau: Ein Laserpuls regt das Halbleitermaterial an. Die ultraschnellen Impulse des UV-Lasers schlagen dann die Exzitonenelektronen aus dem Material. Das Photomissionselektronenmikroskop misst dann ihre Energie und ihren Impuls. © OIST

Unsichtbare Partikel

Einige dieser kurzlebigen Exzitonen haben die Forscher vor einigen Jahren entdeckt Prüfung. 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 Elektronenimpuls und der des Elektronenlochs voneinander, was sie für die üblichen Nachweismethoden unsichtbar macht.

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

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Elektronen erkennen das Vorhandensein dunkler Exzitonen

Für ihr Experiment verwendeten die Physiker eine Atomschicht aus Wolframdisilen-Halbleitermaterial (WSe)2) und mit ultraschnellen Laserpulsen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich angeregt. Die Forscher schossen dann mit Laserpulsen im extremen UV-Intervall auf das Material. Diese energiereichen Impulse spalten die Quasiteilchen und werfen ihre Elektronen aus dem Material.

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

Erfolgreicher Test

Aber das Experiment war erfolgreich: “Als wir alle technischen Probleme gelöst und das Instrument eingeschaltet hatten, erschien die Aufregung tatsächlich auf unserem Bildschirm – es war wirklich unglaublich”, sagt Man. Mithilfe des gemessenen Impulses konnten er und seine Kollegen die Signaturen heller K-Exzitonen von denen dunkler Q-Teilchen mit “verbotenem Impuls” klar unterscheiden. Zum ersten Mal wurden dunkle Exzitonen direkt nachgewiesen.

helle und dunkle Exzitonen
Hinweise auf dunkle (rote) Exzitonen und deren helle (blaue) Gegenstücke. © Madeo et al./ Wissenschaft 2020, OIST

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

“Wie erwartet kam K-Extions sehr schnell”, berichten Madeo und sein Team. “Später sahen wir eine deutliche Anreicherung von dunklen Q-Exzitonen.” Ihre Menge verdoppelte dann die der leichten Exzitonen. Gleichzeitig zeigten die Messungen jedoch auch, dass dunkle Quasare unter bestimmten Bedingungen wieder zu ihren hellen Gegenstücken werden können.

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Wichtig für die Halbleiterforschung und Optoelektronik

“Das Überwiegen dunkler Exzitonen und die Wechselwirkung zwischen ihnen und hellen Exzitonen legen nahe, dass diese unsichtbaren Teilchen noch stärker als erwartet an den Eigenschaften zweidimensionaler Halbleiter beteiligt sind”, sagt Madeo. Dieses Wissen kann 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 Madeo-Kollege Keshav Dani. “Es ermöglicht uns nicht nur, zum ersten Mal dunkle Exzitonen und ihre Eigenschaften zu 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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