Ludwig-Maximilians-Universität München
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Nanophysik

Anregungen am atomaren Limit

München, 10.09.2020

Hauchdünne Schichten aus Materialien wie Wolframdiselenid versprechen neuartige Anwendungen im Bereich der Optoelektronik und Quantentechnologie. LMU-Forscher konnten nun theoretisch und experimentell zeigen, wie solche Materialien bei hohen Magnetfeldern mit Licht wechselwirken.

hoegele_fig_260_webHauchdünne 2D-Materialien stehen derzeit wegen ihrer vielseitigen, oft verblüffenden physikalischen Eigenschaften im Fokus der Nanoforschung. Die Wissenschaftler interessieren sich vor allem für die optischen Eigenschaften atomar dünner Halbleiter. Zu diesen funktionalen Materialien am atomaren Limit gehören auch ultradünne Schichten aus Übergangsmetall-Dichalkogeniden wie Wolframdiselenid. Solche Verbindungen versprechen neuartige Anwendungen im Bereich ultradünner Optoelektronik oder der Quantentechnologie. LMU-Physiker um Alexander Högele haben nun in einer aktuellen Arbeit ein theoretisches Modell entwickelt, wie sich sogenannte Exzitonen in solchen dünnschichtigen Übergangsmetall-Dichalkogeniden verhalten, wenn starke äußere Magnetfelder wirken. Exzitonen sind stark gebundene Paare aus Elektronen und deren positiv geladenen Fehlstellen, sogenannten Löchern. Die Forscher konnten die spektrale Aufspaltung dieser Quasiteilchen sowohl theoretisch vorhersagen wie experimentell messen.

In ihren Experimenten kühlte die Gruppe um Alexander Högele Einzel- und Doppellagen von Wolframdiselenid mit flüssigem Helium auf Temperaturen von wenigen Grad Kelvin und untersuchte dann bei hohen Magnetfeldern von bis zu 9 Tesla Stärke mithilfe optischer Spektroskopie, welche Spektren die Exzitonen emittieren. „Diese Erkenntnisse sind wichtig, da diese Quasiteilchen die Wechselwirkung von Licht und Materie vermitteln“, sagt Högele. „Sie werden durch Absorption von Photonen angeregt.“

Bekannt war bislang, dass die Exzitonen in unterschiedlichen Zuständen vorkommen: Neben sogenannten hellen Exzitonen, die unmittelbar ans Licht koppeln, gibt es auch sogenannte Spin- und Impuls-dunkle Paarungen von Elektronen und Löchern. Bislang ließen sich die spektralen Signaturen des Emissionsspektrums nicht eindeutig bestimmten Exziton-Zuständen zuordnen. Bei hohen Magnetfeldern bis zu 9 Tesla wiesen die unterschiedlichen Zustände in den Experimenten aber charakteristische spektrale Aufspaltungen auf. „Diese können als Grundlage ihrer Unterscheidung dienen“, sagt Högele. „Allerdings nur mit den entsprechenden theoretischen Modellen, die wir zuvor entwickelt haben.“ Die Physiker berechneten entsprechend ihrer Modelle mit numerischen Methoden die spektralen Aufspaltungen im Magnetfeld für verschiedene Exzitonen-Zustände in Mono- und Doppellagen von Wolframdiselenid und glichen die Modelle mit den experimentellen Daten ab.

Die Arbeit trägt so zum tieferen Verständnis der opto-elektronischen Eigenschaften von Wolframdiselenid und verwandten Übergangsmetall-Dichalkogeniden bei. Die untersuchten hellen und dunklen Exzitonen sind die entscheidende Schnittstelle zwischen Licht und nanoskaliger Materie. Damit sind solche ultradünnen Schichten aus Wolframdiselenid für zahlreiche Anwendungen nutzbar, etwa als opto-elektronische Bauelemente für Lichtemission und -detektion oder für die Photovoltaik. „Die ultradünnen Materialien sind mechanisch flexibel und ultrakompakt“, sagt Högele. Auch für Quantentechnologien seien die Materialien interessant, da sie eine Eigenschaft aufweisen, die sich als Quantenbit zur Quanteninformationsverarbeitung eignet.
Nature Communications, 2020.