Erster Nachweis dunkler Exzitonen – Forscher beobachten erstmals versteckte Partikeltypen im Halbleiter

Licht im Dunkeln: Zum ersten Mal haben Forscher einen Teilchentyp in Halbleitern entdeckt, der bisher nur theoretisch erwartet wurde – „dunkle Exzitonen“. Sie bestehen aus einem durch Licht angeregten Elektron, das mit einem anderen Impuls an ein „Elektronenloch“ gekoppelt ist. Die experimentellen Beweise dieser Quasiteilchen zeigen nun ihre Eigenschaften und auch, dass sie noch zahlreicher sind als ihre „brillanten“ Gegenstücke, wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Science“ berichten.

Bereits in den 1960er Jahren hatten Physiker die Existenz von Exzitonen vorhergesagt – Quasiteilchen, die in einem Halbleiter entstehen, wenn dieser durch Licht angeregt wird. Die Elektronen wechseln in einen höheren Energiezustand und springen in den leitenden Streifen des Materials. Ein positiv geladenes Elektronenloch bleibt in seiner ursprünglichen Position. Dieses koppelt an das „ausgestoßene“ Elektron und die beiden bilden zusammen ein Quasiteilchen, das sich durch den Kristall bewegen kann.

Quasiteilchen unsichtbar

Einige dieser kurzlebigen Exzitonen wurden vor einigen Jahren von Forschern entdeckt bewiesen. Denn diese „hellen“ Exzitonen interagieren mit Licht und können daher mit speziellen spektroskopischen Methoden nachgewiesen werden. Bei „dunklen Exzitonen“ ist die Situation anders: Bei ihnen unterscheiden sich der Impuls des Elektrons und der des Elektronenlochs voneinander, wodurch sie für gängige Nachweismethoden unsichtbar werden.

„Wir wissen, dass sie existieren, aber wir können sie nicht sehen und nicht direkt untersuchen“, sagt der Erstautor Julien Madeo vom Okinawa Institute of Science and Technology. „Deshalb wissen wir nicht, inwieweit sie die optoelektronischen Eigenschaften dieser Halbleitermaterialien beeinflussen.“ Jetzt haben er und sein Team eine Methode entwickelt, um diese unsichtbaren Quasi-Partikel zu erkennen.

Elektronen zeigen das Vorhandensein dunkler Exzitonen

Für ihr Experiment verwendeten Physiker eine Atomschicht aus dem Halbleitermaterial Wolframdiselenid (WSe)₂) und mit ultraschnellen Laserpulsen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich angeregt. Als nächstes schossen die Forscher das Material mit Laserpulsen im extremen UV-Bereich. Diese energiereichen Impulse trennen die Quasiteilchen und projizieren ihre Elektronen aus dem Material.

Der Impuls und der Energiegehalt dieser ausgestoßenen Elektronen können dann abgelesen werden, um festzustellen, ob und welche von Exzitonen stammen. „Es war nicht klar, wie gut diese Technik für Exzitonen funktionieren würde“, sagt Michael Man, ein Kollege aus Madeo. Tatsächlich haben diese Quasiteilchen eine extrem kurze Lebensdauer, so dass die zeitliche und räumliche Auflösung der für die Messung verwendeten Photoemissionselektronenmikroskopie sehr hoch sein musste.

Erfolgreicher Beweis

Das Experiment war jedoch erfolgreich: „Als wir alle technischen Probleme gelöst und das Instrument eingeschaltet haben, erschienen die Erreger auf unserem Bildschirm – es war wirklich erstaunlich“, sagt Man. Mit dem gemessenen Impuls konnten er und seine Kollegen die Signaturen heller K-Exzitonen klar von denen dunkler „impulsverbotener“ Quasi-Teilchen unterscheiden. Zum ersten Mal waren dunkle Exzitonen direkt nachweisbar.

Ebenfalls interessant: Die Messungen ergaben, dass dunkle Exzitonen im angeregten Halbleiter eine längere Lebensdauer haben als helle Exzitonen – und dass helle Exzitonen sich in ihre dunklen Gegenstücke verwandeln können. Nach kurzer Zeit beginnt sogar die dunkle Variante dieser Quasiteilchen im Halbleiter zu dominieren.

„Wie erwartet gingen die K-Exctions sehr schnell“, berichten Madeo und sein Team. „Später sahen wir eine deutliche Anreicherung der dunklen Q-Erregungen.“ Ihre Menge verdoppelte dann die der leichten Exzitonen. Gleichzeitig zeigten die Messungen jedoch auch, dass sich dunkle Quasiteilchen unter bestimmten Bedingungen in ihre hellen Gegenstücke verwandeln können.

Wichtig für die Halbleiter- und optoelektronische Forschung

„Die Dominanz dunkler Exzitonen und die Wechselwirkung zwischen ihnen und hellen Exzitonen legen nahe, dass diese unsichtbaren Quasiteilchen die Eigenschaften zweidimensionaler Halbleiter noch stärker als erwartet beeinflussen“, sagt Madeo. Dieses Wissen könnte für die Verwendung und Entwicklung solcher Halbleitermaterialien von erheblicher Bedeutung sein – beispielsweise in der Quantenkommunikation oder in anderen Bereichen der Optoelektronik.

„Diese Technologie ist ein echter Durchbruch“, sagt Madeo-Kollege Keshav Dani. „Dadurch können wir nicht nur zum ersten Mal dunkle Exzitonen und ihre Eigenschaften beobachten. Es eröffnet auch eine neue Ära in der Untersuchung von Exzitonen und anderen angeregten Teilchen. ”(Wissenschaft, 2020; doi: 10.1126 / science.aba1029)

Quelle: Okinawa Institut für Wissenschaft und Technologie (OIST), AAAS

7. Dezember 2020

– Nadja Podbregar