25.02.2022 • Materialwissenschaften

Dreifache Kopplung zwischen Exziton, Photon und Phonon

Neuartige Zustände in Mikrokavitäten mit eingebetteten 2D-Materialien entdeckt.

Atomar dünne zwei­dimen­sionale Materialien können hoch­interes­sante exzitonische Eigen­schaften aufweisen, die sie zu einer attraktiven Plattform für Forschungen auf dem Gebiet der polari­to­nischen Physik machen. Ein Blick in die einschlägige wissen­schaftliche Literatur zeigt, dass schon eine Vielzahl anorganischer Exziton-Polariton-Systeme experimentell untersucht und theoretisch beschrieben wurde. Dabei kam stets das allgemein akzeptierte Modell zweier gekoppelter Oszillatoren zum Einsatz, das nur die Kopplung zwischen Exzitonen und Hohlraum­photonen berück­sichtigt.

Abb.: Kopp­lung von Phonon (grün), Exziton (pink) und Photon eines...
Abb.: Kopp­lung von Phonon (grün), Exziton (pink) und Photon eines Mikro­reso­na­tors (rot) in einem 2D-Material. (Bild: D. Li, JMU)

Jetzt hat eine Gruppe um Donghai Li von der Uni Würzburg heraus­ge­funden, dass die Anordnung von 2D-Halbleitern in Mikro­kavitäten zu einer starken Wechsel­wirkung zwischen Exzitonen und Hohlraum­photonen, aber auch mit Phononen führen kann. Das Team ist der Ansicht, dass seine Ergebnisse das Paradigma der Exzitonen-Polaritonen-Physik in 2D-Materialien verändern könnten, indem sie die Rolle der Phononen hervorheben und quantifizieren.

Das Team entwickelte dazu eine neuartige Methode der kohärenten 2D-Mikro­spektro­skopie. Sie bietet eine spektrale Auflösung sowohl für die Anregungs- als auch für die Detektions­schritte in Kombination mit einer mikro­skopischen Orts­auf­lösung und einer zeitlichen Auflösung von etwa zwanzig Femto­sekunden.

Mit dieser Technik lässt sich ein reich­haltiges Spektrum von Mehr­fach­anregungen abbilden, das mit linearen Photo­lumineszenz-Experimenten bisher unzugänglich war. Der Vergleich mit einem neuartigen vibronischen Polariton­modell, das nicht nur die Freiheits­grade von Exzitonen und Photonen, sondern auch die von Phononen berück­sichtigt, zeigt mehrere Polariton­zweige, die durch Exziton-Photon-Phonon-Hybri­di­sierung entstehen.

Das markiert die Entdeckung von bisher unbeob­achteten hellen Zuständen in Mikro­kavitäten mit einge­betteten 2D-Materialien. Die Forscher erwarten, dass diese Entdeckung für die laufenden Versuche, die Bose-Einstein-Kondensation bei Raum­temperatur und das Polariton-Lasing in diesen Systemen zu realisieren, von Bedeutung sein wird.

JMU / RK

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