15.09.2020

Hauchdünn und angeregt

Typen von Exzitonen in 2D-Schichten spektroskopisch bestimmt.

Hauchdünne Schichten versprechen neuartige Anwendungen im Bereich der Opto­elektronik und Quanten­technologie. Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München konnten nun theoretisch und experimentell zeigen, wie solche Materialien bei hohen Magnetfeldern mit Licht wechselwirken. Solche 2D-Materialien stehen derzeit wegen ihrer vielseitigen, oft verblüffenden physikalischen Eigenschaften im Fokus der Nanoforschung. Die Wissenschaftler interessieren sich vor allem für die optischen Eigenschaften atomar dünner Halbleiter. 
 

Abb.: Bahn­drehimpuls im Leitungs­band (Bild: J. Förste et al.)
Abb.: Bahn­drehimpuls im Leitungs­band (Bild: J. Förste et al.)

Zu diesen funktionalen Materialien am atomaren Limit gehören auch ultradünne Schichten aus Übergangs­metall-Dichalkogeniden wie Wolframdiselenid. Solche Verbindungen versprechen neuartige Anwendungen im Bereich ultradünner Opto­elektronik oder der Quanten­technologie. Forscher um Alexander Högele haben nun ein theoretisches Modell entwickelt, wie sich Exzitonen in solchen dünnschichtigen Übergangs­metall-Dichalkogeniden verhalten, wenn starke äußere Magnetfelder wirken. Exzitonen sind stark gebundene Paare aus Elektronen und deren positiv geladenen Fehlstellen, den Löchern. Die Forscher konnten die spektrale Aufspaltung dieser Quasiteilchen sowohl theoretisch vorhersagen wie experimentell messen.

In ihren Experimenten kühlte die Gruppe um Alexander Högele Einzel- und Doppellagen von Wolframdiselenid mit flüssigem Helium auf Temperaturen von wenigen Grad Kelvin und untersuchte dann bei hohen Magnetfeldern von bis zu neun Tesla Stärke mithilfe optischer Spektroskopie, welche Spektren die Exzitonen emittieren. „Diese Erkenntnisse sind wichtig, da diese Quasiteilchen die Wechselwirkung von Licht und Materie vermitteln“, sagt Högele. „Sie werden durch Absorption von Photonen angeregt.“

Bekannt war bislang, dass die Exzitonen in unterschiedlichen Zuständen vorkommen: Neben hellen Exzitonen, die unmittelbar ans Licht koppeln, gibt es auch Spin- und Impuls-dunkle Paarungen von Elektronen und Löchern. Bislang ließen sich die spektralen Signaturen des Emissionsspektrums nicht eindeutig bestimmten Exziton-Zuständen zuordnen. Bei hohen Magnetfeldern bis zu neun Tesla wiesen die unterschiedlichen Zustände in den Experimenten aber charakteristische spektrale Aufspaltungen auf. „Diese können als Grundlage ihrer Unterscheidung dienen“, sagt Högele. „Allerdings nur mit den entsprechenden theoretischen Modellen, die wir zuvor entwickelt haben.“ Die Physiker berechneten entsprechend ihrer Modelle mit numerischen Methoden die spektralen Aufspaltungen im Magnetfeld für verschiedene Exzitonen-Zustände in Mono- und Doppellagen von Wolfram­diselenid und glichen die Modelle mit den experimentellen Daten ab.

Die Arbeit trägt so zum tieferen Verständnis der opto-elektronischen Eigenschaften von Wolfram­diselenid und verwandten Übergangs­metall-Dichalko­geniden bei. Die untersuchten hellen und dunklen Exzitonen sind die entscheidende Schnittstelle zwischen Licht und nanoskaliger Materie. Damit sind solche ultradünnen Schichten aus Wolfram­diselenid für zahlreiche Anwendungen nutzbar, etwa als opto-elektronische Bauelemente für Lichtemission und -detektion oder für die Photo­voltaik. „Die ultradünnen Materialien sind mechanisch flexibel und ultrakompakt“, sagt Högele. Auch für Quantentechnologien seien die Materialien interessant, da sie eine Eigenschaft aufweisen, die sich als Quantenbit zur Quanten­informations­verarbeitung eignet.

LMU / DE

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