Kleiner Spin, große Quantenwirkung
Effektive Möglichkeit gefunden, Bose-Einstein-Kondensate in Halbleitern magnetisch zu kontrollieren.
Bei Bose-Einstein-Kondensaten in Festkörpern richtet sich der Blick in der Quantenforschung heute auf solche, die auch bei moderaten Temperaturen existieren können. Typischerweise verwendet man hierzu Elektron-Loch-Paare in einem Halbleiter die sich gezielt mittels Laserpulsen erzeugen lassen. Da solche Exzitonen aber vereinfacht gesagt zu träge sind, um sich im Gleichschritt zu bewegen, koppelt man sie an das Lichtfeld eines Resonators, um ihre effektive Masse zu reduzieren. Das Resultat ist ein Mischzustand aus Materie und Licht: Exziton-Polaritonen. Sie bieten das Beste aus zwei Welten, denn sie lassen sich mit Laserimpulsen steuern und weil sie deutlich leichter sind, können sie einfacher in einen gemeinsamen quantenmechanischen Zustand gebracht werden.
Ein Exziton-Polariton-Kondensat ist also ein makroskopischer Quantenzustand, der Licht aussendet und mit deutlich weniger, in manchen Fällen sogar komplett ohne aufwändige Kühlung entstehen kann. Daher gelten diese Kondensate als vielversprechende Plattform für künftige Anwendungen in den Bereichen Quantenkommunikation, Quantenoptik und Quantencomputing. Eine zentrale Herausforderung besteht jedoch darin, die Eigenschaften des Kondensats und damit auch das von ihm ausgesandte Licht gezielt einzustellen – ein Problem, das nun gelöst werden konnte.
Ein internationales Forschungsteam um Rupert Huber, Fabian Mooshammer und Jan Wilhelm von der Uni Regensburg, Florian Dirnberger von der TU München und Zdeněk Sofer von der Universität für Chemie und Technologie Prag hat gezeigt, dass sich Exziton-Polariton-Kondensate gezielt über die magnetischen Eigenschaften des Materials kontrollieren lassen. Dazu verwendete das Team statt konventioneller Halbleitermaterialien einen neuartigen magnetischen Schichthalbleiter: Chrom-Sulfid-Bromid. Der Kristall besteht aus vielen atomar dünnen Lagen, deren magnetische Ausrichtung von Schicht zu Schicht wechselt. In CrSBr sind dieSpins innerhalb jeder Atomlage gleich, zwischen benachbarten Lagen aber jeweils entgegengesetzt ausgerichtet. Die kontrollierte Veränderung dieser besonderen magnetischen Ordnung eröffnete nun neue Möglichkeiten, um die Eigenschaften des Exziton-Polariton-Kondensats gezielt zu beeinflussen.
Zunächst mussten die Forschenden jedoch zeigen, dass es in den untersuchten Strukturen tatsächlich zu einer Exziton-Polariton-Kondensation kommt. Dazu regten sie Exziton-Polaritonen in CrSBr-Strukturen mit ultrakurzen Laserpulsen an. Steigert man schrittweise die Dichte dieser Teilchen, so sind sie schließlich nahe genug beieinander, um mit ihren Nachbarn im Gleichtakt zu schwingen. „Sobald die Schwelle zur Kondensation erreicht ist, nimmt die Intensität des ausgesandten Lichts sprungartig um mehr als das Hundertfache zu. Gleichzeitig verhalten sich die Lichtwellen geordnet und schwingen gewissermaßen im gleichen Takt. Durch diese sogenannte Kohärenz haben wir einen eindeutigen Nachweis für die Kondensation“, so Erstautor Heng Zhang.
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Der entscheidende Schritt folgte anschließend. Die Forschenden untersuchten, ob sich das Kondensat durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds gezielt kontrollieren lässt. Das Ergebnis war eindeutlig: Mit zunehmendem Magnetfeld verschob sich die Energie des vom Kondensat ausgesandten Lichts. Dies liegt an der besonderen magnetischen Ordnung von CrSBr. Zunächst sind die Elektronenspins in benachbarten Schichten des Kristalls entgegengesetzt ausgerichtet. Dies stellt eine Art magnetischen Käfig für Exzitonen dar, die dadurch in ihrer jeweiligen Schicht eingeschlossen sind. Durch ein äußeres Magnetfeld kann dieser magnetische Käfig gezielt aufgebrochen werden, indem die Spins in die gleiche Richtung ausgerichtet werden. Dadurch lassen sich die Eigenschaften der Exziton-Polaritonen, wie etwa deren Energie, gezielt einstellen. Dieser neuartige Kontrollmechanismus über die magnetische Ordnung des Materials ist sehr effizient, wie Christian Weidgans, einer der Ko-Erstautoren, erklärt: „Während frühere Ansätze unter anderem auf das Anlegen elektrischer Spannung zurückgriffen, erlauben bereits moderate Magnetfelder in CrSBr eine bis zu zehnmal größere Energieverschiebung des ausgesandten Lichts. Auf diese Weise lässt sich der Quantenzustand gezielt über den Magnetismus des Materials steuern.“
Die Ergebnisse schaffen eine neue Schnittstelle zwischen ausgedehnten Quantenzuständen und der magnetischen Ordnung eines Materials. „In Zukunft könnte die Plattform genutzt werden, um das vom Kondensat emittierte Licht direkt mit magnetischen Zuständen zu koppeln und auf extrem kurzen Zeitskalen zu beeinflussen“, erläutert Ko-Erstautorin Niloufar Nilforoushan. Mikrowellenstrahlung kann dabei genutzt werden, um die magnetische Ordnung des Materials gezielt zu beeinflussen. Auf diese Weise ergeben sich vielversprechende Perspektiven für die Integration in magnetische Speicher sowie die effiziente Umwandlung von Mikrowellenstrahlung in optische Signale. Die magnetisch steuerbare Exziton-Polariton-Kondensation eröffnet damit völlig neue Möglichkeiten an der Schnittstelle von Quantenoptik und Spintronik und legt eine Grundlage für zukünftige Quantentechnologien. [UR / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
H. Zhang, N. Nilforoushan, C. Weidgans, et al., Magnetic control of an exciton–polariton condensate in a van der Waals magnet, Nat. Mater., 8. Oktober 2026; DOI: 10.1038/s41563-026-02751-y - Ultraschnelle Quantenphysik und Photonik (Rupert Huber), Experimentelle und Angewandte Physik, Fakultät für Physik, Universität Regensburg
