Marburger Physiker arbeiten an Halbleiter-Exzitonen im Terahertz-Licht

Zum Beispiel verwenden die zur Zeit öffentlich diskutierten „Nackt“-Scanner, die im Rahmen der Flugsicherheit eingesetzt werden sollen, elektromagnetische Strahlung im Terahertz-Bereich, um verborgene Waffen oder andere illegale Gegenstände bei Passagieren vor dem Betreten des Flugzeuges aufzuspüren.

Doch die Terahertz-Forschung ist nicht nur für die Entwicklung von technischen Anwendungen, sondern auch für die Untersuchung grundlegender Fragestellungen in der Physik von großer Bedeutung: So lassen sich mit Hilfe optischer Experimente im Terahertz-Bereich fundamentale physikalische Anregungen in Halbleitern untersuchen.

In Halbleitern sind die sogenannten Exzitonen (von engl. „excitation“-„Anregung“) von besonderer Bedeutung. Diese bestehen aus einem negativ geladenen Elektron im Leitungsband und einem positiv geladenen „Loch“, also einer Leerstelle im Valenzband, die aufgrund der anziehenden Wechselwirkung ein gebundenes Paar bilden, das man sich analog zum Wasserstoffatom vorstellen kann. Exzitonen entstehen durch die Anregung von Halbleitern mit Licht oder elektrischem Strom und sie können unter Abstrahlung von Licht rekombinieren, d.h. das Elektron fällt in das „Loch“ zurück.

Diesen Mechanismus macht man sich z.B. bei der Leuchtdioden-Technologie zunutze. Nun gibt es aber bestimmte Halbleiter-Materialien, bei denen die Exzitonen nicht unter Abstrahlung von Licht rekombinieren können, wodurch diese sogenannten „optisch-dunklen“ Exzitonen eine besonders lange Lebensdauer haben. Dies macht sie zu potentiellen Kandidaten für die Bose-Einstein-Kondensation von Exzitonen, dem Übergang in einen makroskopischen Quantenzustand der bei Atomen bereits beobachtet wurde bei Exzitonen allerdings noch nicht. Gerade weil die Exzitonen „optisch dunkel“ sind, lassen sie sich aber experimentell nicht mit sichtbarem Licht untersuchen. Für Licht aus dem Terahertz-Bereich gilt diese Einschränkung jedoch nicht.

Forschern der Universität Konstanz in der Arbeitsgruppe von Rubert Hupert und der Freien Universität Berlin in der Arbeitsgruppe von Martin Wolf ist es nun in einem Experiment gelungen, optisch-dunkle Exzitonen in Kupferoxidul-Halbleitern mit Terahertz Strahlung gezielt zu manipulieren. Das Experiment konnte von den Marburger Physikern Professor Stephan W. Koch, Professor Mackillo Kira und Dr. Johannes Steiner theoretisch modelliert werden, wobei sich zeigte, dass die im Experiment verwendeten starken Terahertz-Impulse interne Übergänge zwischen den unterschiedlichen Energieniveaus der Exzitonen bewirken.

Die Ergebnisse wurden in dem Artikel „Terahertz Coherent Control of Optically Dark Paraexcitons in (Kohärente Terahertz-Kontrolle von optisch dunklen Para-Exzitonen in der Fachzeitschrift Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 101, 246401 (2008)] veröffentlicht. Die Arbeit gibt Aufschluss über die interne Struktur der Exzitonen und zeigt neue Möglichkeiten auf, wie sich ein gewünschter Quantenzustand mit Terahertz-Licht gezielt herbeiführen lässt. Insbesondere zeigt sich, dass Terahertz-Licht auch auf einer mikroskopischen Ebene Strukturen aufdeckt, die bei herkömmlichen Untersuchungsmethoden verborgen bleiben.