Und sie drehen sich doch!

Physiker der Universität Regensburg weisen ultra-schnelle Pseudospin-Oszillationen exzitonischer Quasiteilchen nach.

Physiker der Universität Regensburg aus den Forschungsgruppen um Professor Dr. Christian Schüller und Professor Dr. Jaroslav Fabian konnten erstmalig ultraschnelle quantenmechanische Oszillationen von verschiedenen Exzitonenarten beobachten. Darüber berichtet das Team nun im international renommierten Fachjournal Nature Communications.

Dass aus Licht Strom gewonnen werden kann, erscheint für uns durch die Allgegenwärtigkeit von Solarzellen ganz normal. Dies basiert auf dem physikalischen Phänomen, dass in manchen Materialien durch die Absorption von Licht freie Ladungsträger erzeugt werden. Ein zuvor fest gebundenes Elektron wird dabei in einen frei beweglichen Zustand gehoben. An der Stelle, an der es zuvor saß, fehlt nun ein Elektron. Es ist ein sogenanntes Loch entstanden: Dieses lässt sich als Quasiteilchen mit positiver Ladung beschreiben: „Quasiteilchen“, weil es nicht wirklich eines ist. In einer Solarzelle werden diese freien Elektronen und Löcher nun voneinander getrennt. Führt man sie wieder zusammen, entsteht elektrischer Strom. Möchte man diese Elektronen und Löcher beschreiben, so kann man ihnen eine Masse, eine Ladung, eine Energie, einen Impuls und einen Eigendrehimpuls zuordnen. Sind die ersten Größen verständlich, so ist letztere deutlich schwieriger zu begreifen.

Spin und Exzitonen

Der sogenannte Spin, was so viel wie ‚Drehung‘ oder ‚Drall‘ bedeutet, ist eine quantenmechanische Eigenschaft. Diese Größe ist demnach nicht beliebig verteilt, sondern tritt nur in festen Portionen (den sogenannten Quanten) auf. Sie ordnet jedem Teilchen einen intrinsischen Eigendrehimpuls zu. Durch die elektrostatische Anziehung zwischen den negativ geladenen Elektronen und den positiv geladenen Löchern kann es unter bestimmten Voraussetzungen in manchen Materialien für die Elektronen und Löcher zudem günstig sein, einen gebundenen Zustand einzugehen. Dieser gebundene Zustand stellt wiederum ein Quasiteilchen dar und wird Exziton genannt. Er ähnelt einem Wasserstoffatom, welches aus einem Proton und einem Elektron besteht und kann mit demselben Modell beschrieben werden. Besonders stabil treten diese Exzitonen in der Materialklasse der Übergangsmetalldikalkogenide (englisch abgekürzt TMDCs) auf.

Mögliche Anwendung von Laser bis Solarzellen

Was sehr exotisch und kompliziert klingt, ist eigentlich gar nicht so außergewöhnlich. Prominente Übergangsmetalle sind zum Beispiel Wolfram und Molybdän. Ersteres ist den älteren sicher noch von Glühlampen bekannt, zweiteres ist ein sehr gängiges Schmiermittel, welches auch in den meisten Motorenölen für minimale Reibung sorgt. Bekannte Vertreter der Selenide sind Schwefel und Selen, welche auch oft in unseren Nahrungsmitteln als Spurenelemente vorkommen. TMDCs sind ein Verbund aus beiden Elementen mit ganz neuen Eigenschaften. Dabei werden die Atome der Übergangsmetalle in einem honigwabenförmigen Netz von Seleniden eingeschlossen. Da die Atomanordnung regelmäßig ist, handelt es sich um einen kristallinen Festkörper, genauer um einen Halbleiter. Diese Kristalle lassen sich verblüffend einfach aufspalten, so dass es möglich ist, Schichten herzustellen, welche nur wenige Atome dick sind. Aufgrund der sehr starken Licht-Materie-Wechselwirkung, dem minimalem Ressourcenverbrauch und der direkten Bandlücke sind TMDCs vielversprechende Kandidaten für Anwendungen wie LEDs, Laser, Photodetektoren, Solarzellen oder auch Transistoren.

An diesen hauchdünnen Materialien haben die UR-Physiker aus den Gruppen um Professor Dr. Christian Schüller und Professor Dr. Jaroslav Fabian erstmalig ultraschnelle quantenmechanische Oszillationen von verschiedenen Exzitonenarten beobachten können. Ultraschnell mag nach Science-Fiction klingen, ist jedoch in der experimentellen Physik ein gängiger Ausdruck für Vorgänge, welche im Piko-, oder sogar Femtosekunden Zeitbereich stattfinden. Eine Pikosekunde entspricht dem millionsten Teil einer millionstel Sekunde (10⁻¹² s). Besser vorstellbar ist das vielleicht als die Zeit, die Licht benötigt, um 0,3 Millimeter Weg zurückzulegen. In dem betrachteten System haben Exzitonen eine Lebensdauer von einigen 10 Pikosekunden.

Entscheidend: Polarisation des Lichtblitzes

Um die Dynamik dieser Quasiteilchen zu untersuchen, müssen diese deshalb mit einem deutlich kürzeren Lichtblitz erzeugt werden. Hierbei spielt die Polarisation des Lichtblitzes eine entscheidende Rolle, denn in den TMDCs ist die Polarisation des anregenden Lichts mit der Spin-Ausrichtung der Ladungsträger verknüpft. Ein Lichtquant mit linkszirkular polarisiertem Licht erzeugt immer ein Elektron mit Spin-up, welches wiederum ein Loch mit Spin-down hinterlässt. Für rechtszirkular polarisiertes Licht verhält es sich genau andersherum. Die dadurch entstehenden Exzitonen haben insgesamt jedoch wieder einen Gesamtspin von Null, weil sich die Spins der einzelnen Komponenten aufsummieren. Dieser Spin-Zustand wird als ‚Pseudo-Spin‘ bezeichnet, da die Exzitonen trotz einem Gesamtspin von Null die Information der Spinausrichtungen von Elektron und Loch beinhalten. Der Pseudo-Spin ist also eine zusätzliche quantenmechanische Eigenschaft der Exzitonen, welche direkt mit zirkular polarisiertem Licht adressiert werden kann. Somit entsteht ein sehr vielversprechender Informationsträger für optische Telekommunikation oder auch für Quanten-Computing. Die Regensburger Physiker konnten eine kohärente Kopplung der beiden Pseudospin-Exzitonen-Spezies beobachten. Um eine genügend starke Kopplung der beiden Pseudo-Spin-Zustände zu erreichen, wurden Magnetfelder von bis zu 10 Tesla erzeugt: Das entspricht dem Hunderttausendfachen des Erdmagnetfelds.

Die Kopplung von Magnetfeld und Spins verursacht ein Hin- und Herschwappen zwischen den beiden Zuständen. „Dies mag zunächst nicht so aufregend erscheinen, ist aber aus physikalischer Sicht wirklich verblüffend“, sagt der Erstautor der Studie, Simon Raiber. „Der beobachtete Effekt lässt sich mit einem Kreisel vergleichen, der nach dem Andrehen immer wieder seine Drehrichtung wechselt.“ Der Änderung der Drehrichtung entspräche ein Wechsel des oben erklärten Pseudo-Spins. Aus der Periodendauer der Schwingung, also der Zeit, die es dauert, bis der Pseudo-Spin hin und her wechselt, kann darüber hinaus auch die energetische Verschiebung der exzitonischen Zustände sehr präzise bestimmt werden. Die Zustände unterscheiden sich je nach Anregungspolarisation nicht nur in ihrem Pseudo-Spin, sondern auch in ihrer Energie, was für diese Magnetfeldausrichtung bislang noch nicht bekannt war. Theoretische Modellierungen konnten die experimentell beobachtete Energie-Aufspaltung bestätigen. Die Untersuchungen bilden die Grundlage für die kohärente Manipulation der Pseudo-Spins auf ultra-schneller Zeitskala. Dies könnte in der Zukunft die Realisierung sogenannter Quantengatter ermöglichen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Christian Schüller
Fakultät für Physik
Universität Regensburg
Telefon +49 941 943 2078
E-Mail: christian.schueller@ur.de

Originalpublikation:

Ultrafast pseudospin quantum beats in multilayer WSe2 and MoSe2, Simon Raiber, Paulo E. Faria Junior, Dennis Falter, Simon Feldl, Petter Marzena, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jaroslav Fabian and Christian Schüller, Nat. Commun. 13, 4997 (2022) DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32534-3

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