Blockade zwischen Exitonen
Exotische langreichweitige Wechselwirkungen in Halbleitern entdeckt.
Ein Forschungsteam um die Arbeitsgruppe von 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.
Exzitonen sind wasserstoffartige, gebundene Zustände aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Elektronfehlstellen 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 sogar 1,2 Milliarden Mal größer ist. Diese Eigenschaften machen Rydbergexzitonen sehr interessant für Präzisionssensorik.
Julian Heckötter hat im Rahmen seiner Doktorarbeit 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 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 Valentin Walther aus Harvard, Thomas Pohl aus Aarhus und Stefan Scheel aus Rostock ließ sich dieses Phänomen aufklären. Detaillierte Computersimulationen zeigten, dass die Ursache dafür in Van-der-Waals-Wechselwirkungen liegt.
TU Dortmund / JOL
