Erster Nachweis dunkler Exzitonen – Forscher beobachten erstmals versteckte Arten von Partikeln im Halbleiter

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

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

Unsichtbare Quasiteilchen

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

„Wir wissen, dass sie existieren, aber wir können sie nicht sehen und nicht direkt untersuchen“, erklärt der Erstautor Julien Madeo vom Okinawa-Institut für Wissenschaft und Technologie. „Deshalb wissen wir nicht, wie sehr sie die optoelektronischen Eigenschaften solcher Halbleitermaterialien beeinflussen.“ Jetzt haben er und sein Team eine Methode entwickelt, mit der auch diese unsichtbaren Quasiteilchen nachgewiesen werden können.

Elektronen zeigen das Vorhandensein der dunklen Exzitonen

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

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

Erfolgreicher Beweis

Aber das Experiment war erfolgreich: „Als wir alle technischen Probleme gelöst und das Instrument eingeschaltet hatten, erschienen die Exzitonen tatsächlich auf unserem Bildschirm – das war wirklich unglaublich“, sagt Man. Anhand des gemessenen Impulses konnten er und seine Kollegen die Signaturen der hellen K-Exzitonen von denen der dunklen Q-Quasiteilchen mit „verbotenem Impuls“ klar unterscheiden. Zum ersten Mal waren die dunklen Exzitonen direkt nachweisbar.

Ebenfalls interessant: Die Messungen ergaben, dass die dunklen Exzitonen im angeregten Halbleiter eine längere Lebensdauer haben als die hellen – 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 sind die K-Exzitonen sehr schnell entstanden“, berichten Madeo und sein Team. „Später sahen wir eine deutliche Anreicherung der dunklen Q-Exzitonen.“ Ihre Menge verdoppelte dann die der leichten Exzitonen. Gleichzeitig zeigten die Messungen jedoch auch, dass sich die dunklen Quasiteilchen unter bestimmten Bedingungen wieder in ihre hellen Gegenstücke verwandeln können.

Wichtig für die Halbleiterforschung und Optoelektronik

„Die Dominanz der dunklen Exzitonen und das Zusammenspiel zwischen ihnen und den hellen Exzitonen legen nahe, dass diese unsichtbaren Quasiteilchen die Eigenschaften zweidimensionaler Halbleiter noch stärker als erwartet beeinflussen“, sagt Madeo. Dieses Wissen könnte eine weitreichende Bedeutung für die Verwendung und Entwicklung solcher Halbleitermaterialien haben – beispielsweise in der Quantenkommunikation oder in anderen Bereichen der Optoelektronik.

„Diese Technologie ist ein echter Durchbruch“, sagt Madeos Kollege Keshav Dani. „Damit 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