Das optische Leuchten von Quantenkristallen

Wenn Elektronen auf eine zweidimensionale Ebene beschränkt sind und stark miteinander wechselwirken, bewegen sie sich nicht mehr unabhängig voneinander. Stattdessen ordnen sie sich zu einem regelmäßigen Gitter an, das der Anordnung von Atomen in einem gewöhnlichen Kristall ähnelt. Dieser geordnete Zustand des Wigner-Kristalls fasziniert Forschende seit Jahrzehnten. Denn seine Ordnung entsteht nicht durch die innere Struktur des Materials, sondern allein durch die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen.

Illsutration: Licht kann die kollektive Bewegung von Elektronen innerhalb eines Wigner-Kristalls sichtbar machen

Quelle: Enrique Sahagún, Scixel / U Basel, m. frdl. Gen.

Obwohl Wigner-Kristalle bereits in verschiedenen physikalischen Systemen beobachtet wurden, blieb es bislang eine große Herausforderung, ihr inneres Verhalten zu untersuchen – also wie sie sich bewegen, miteinander wechselwirken und auf äußere Störungen reagieren. In einer neuen Studie untersuchte ein Team von Experimentalphysikern unter der Leitung von Tomasz Smoleński von der Universität Basel eine nur eine Atomlage dünne Schicht aus Wolframdiselenid, die auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde. Indem die Forschenden das Material mit Licht bestrahlten und das reflektierte Licht analysierten, beobachteten sie neue optische Signaturen, die das kollektive Verhalten der Elektronen innerhalb eines Wigner-Kristalls sichtbar machen.

Diese Signaturen entstehen durch das feine Zusammenspiel zwischen lichtinduzierten Anregungen im Material, den Exzitonen, und der geordneten Anordnung der Elektronen. Dabei entstehen hybride Quasiteilchen, die Wigner-Kristall-Polaronen. Sie dienen als hochempfindliche optische Sonde für den Elektronenkristall und seine kollektiven Anregungen.

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„Unsere Messungen zeigen, dass Licht weit mehr kann, als lediglich die Existenz dieses exotischen Zustands nachzuweisen – es kann auch sichtbar machen, was in seinem Inneren geschieht“, sagt Lujun Wang, der die Experimente gemeinsam mit Ferdinand Menzel, Doktorand in Smoleńskis Forschungsgruppe, durchgeführt hat. „Damit erhalten wir ein leistungsfähiges neues Werkzeug, um kollektive Anregungen in Elektronenkristallen zu untersuchen, die bislang kaum zugänglich waren“, ergänzt Smoleński.

Die Forschenden konnten zudem zeigen, dass die Stärke der Wechselwirkungen zwischen den Elektronen diese optischen Signaturen bestimmt. Dadurch eignen sie sich besonders gut, um die grundlegende Physik stark korrelierter Systeme zu erforschen, deren Eigenschaften durch das kollektive Verhalten vieler wechselwirkender Teilchen bestimmt werden.

Zur Erklärung der experimentellen Ergebnisse entwickelte ein Theorie-Team unter der Leitung von Michael Knap, Professor an der TU München, ein theoretisches Modell, das beschreibt, wie Wigner-Kristall-Polaronen aus der Kopplung zwischen optisch erzeugten Exzitonen und der kollektiven Bewegung der Elektronen im Kristall entstehen.

„Besonders spannend ist, dass diese Signale nicht nur Informationen über die Anordnung der Elektronen liefern, sondern auch über deren Quantendynamik“, erklärt Fabian Pichler, Doktorand an der TUM. „Dadurch können wir die experimentellen Beobachtungen direkt mit der zugrunde liegenden Vielteilchenphysik verknüpfen.“

Die Ergebnisse zeigen, dass atomar dünne Materialien eine vielversprechende Plattform bieten, um die kollektive Bewegung von Elektronen in geordneten Quantenzuständen sichtbar zu machen. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten, die innere Dynamik stark korrelierter Materie besser zu verstehen. [U Basel / dre]