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Rydberg-Exzitonen – die größten künstlichen Wasserstoffatome

23.10.2014

Physikern der TU Dortmund um die Professoren Dietmar Fröhlich und Manfred Bayer und der Universität Rostock um die Professoren Heinrich Stolz und Stefan Scheel ist es erstmals gelungen, neuartige Materiezustände, sogenannte Rydberg-Exzitonen, zu beobachten, wie sie in einem in der jüngsten Ausgabe des renommierten Fachjournals „Nature“ veröffentlichten Beitrag berichten. Die Dortmunder und Rostocker Physiker sind sich sicher, ein völlig neues Arbeitsgebiet aufgetan zu haben.

Physikern der TU Dortmund um die Professoren Dietmar Fröhlich und Manfred Bayer und der Universität Rostock um die Professoren Heinrich Stolz und Stefan Scheel ist es erstmals gelungen, neuartige Materiezustände, sogenannte Rydberg-Exzitonen, zu beobachten, wie sie in einem in der jüngsten Ausgabe des renommierten Fachjournals „Nature“ veröffentlichten Beitrag berichten. Die Dortmunder und Rostocker Physiker sind sich sicher, ein völlig neues Arbeitsgebiet aufgetan zu haben.


Die Professoren Heinrich Stolz (li) und Stefan Scheel

Halbleiter sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Nicht nur, dass sie die Basis für alle Komponenten der Mikro- und Nanoelektronik und damit für Computer, Mobiltelefone usw. bilden, auch für die Erzeugung von Licht werden Halbleiter immer bedeutender.

Von immenser Aktualität ist dabei die Entwicklung von Leuchtdioden – hier werden bahnbrechende Arbeiten in diesem Jahr mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. Solche Leuchtdioden finden immer weitere Verbreitung und könnten bald endgültig die Glühlampe mit einem Potential für große Energieeinsparung ersetzen.

Die Lichterzeugung in Halbleitern kann man sich dabei so vorstellen, dass ein negativ geladenes Teilchen, ein Elektron, und ein positiv geladenes Teilchen - im Fachjargon Loch genannt – zusammenfinden und sich dabei in Energie in Form von Licht bestimmter Farbe umwandeln. Vor dieser Umwandlung können Elektron und Loch einen gebundenen Zustand mit einer Energie unterhalb der von ungebundenen freien Elektronen und Löcher bilden.

Ursache dafür ist, dass Elektron und Loch aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladungen anziehende Kräfte aufeinander ausüben. Dieser gebundene Elektron-Loch-Komplex wird Exziton genannt und hat große Ähnlichkeit mit einem Wasserstoffatom, das aus einem positiv geladenen Proton und einem Elektron besteht. Ein solches System ist so klein, dass es quantenmechanisch beschrieben werden muss.

Aus dieser Beschreibung ergibt sich, dass das Wasserstoffatom nicht jede beliebige Energie annehmen darf, sondern nur bestimmte diskrete Werte, bekannt als so genannte Rydberg-Serie. Eine qualitativ identische Serie an erlaubten Energien findet man für das Exziton.

Allerdings gibt es auch bedeutende Unterschiede. Während sich beim Wasserstoffatom die beiden Teilchen ungestört im Vakuum bewegen, befindet sich das Exziton im Halbleiter in einem Kristallgitter, aufgebaut aus periodisch angeordneten Atomen, die ihrerseits viele Elektronen aufweisen.

Trotz dieses Hintergrunds an Ladungen schafft es das Exziton, sich ungestört durch den Kristall zu bewegen, ohne durch Stöße mit anderen Ladungen beeinträchtigt zu werden. Allerdings ist die Bindungsstärke von Elektron und Loch im Vergleich zum Wasserstoffatom drastisch reduziert.

Dies äußert sich in unterschiedlichen räumlichen Ausdehnungen. Während das Wasserstoffatom eine Ausdehnung von nur 0,05 Milliardstel Metern im Grundzustand aufweist, haben Exzitonen eine um typischerweise einen Faktor 10 bis 100 größere Ausdehnung, abhängig vom Halbleitermaterial.

Während der letzten Jahre haben Atome mit einem Elektron, das in einen sehr hohen gebundenen Zustand angeregt wurde, großes Interesse erfahren. Diese so genannten Rydberg-Atome können Abmessungen bis zu einem Millionstel Meter aufweisen, also mehr als tausend-mal im Vergleich zum Grundzustand anwachsen. Aber nicht nur ihre Größe nimmt drastisch zu, auch ihre gegenseitige Wechselwirkungsstärke steigt dramatisch um viele Größenordnungen an, je höher das Elektron angeregt wird.

Einer Kollaboration von Physikern der TU Dortmund um die Professoren Dietmar Fröhlich und Manfred Bayer und der Universität Rostock um die Professoren Heinrich Stolz und Stefan Scheel ist es nun gelungen, für Exzitonen Zustände zu beobachten, die denen von Rydberg-Atomen äquivalent sind, wie sie in der jüngsten Ausgabe des Fachjournals Nature berichten( T. Kazimierczuk, et al., Giant Rydberg excitons in the copper oxide Cu2O, Nature 514, 343 (2014)). Der Kristall, der dafür verwendet wurde, heißt Kupferoxydul, ein natürlich vorkommendes Mineral.

Im höchsten beobachtbaren Zustand besitzen die Exzitonen eine Ausdehnung von 2 Millionstel Metern, die im Vergleich zu der Ausdehnung des Grundzustands von weniger als einem milliardstel Meter also mehr als tausendfach größer ist. Trotzdem bleibt das Exziton stabil, obwohl die beteiligten Ladungen sich über einige Trillionen von Atomen hinwegbewegen. Auch die gigantische Wechselwirkung der Exzitonen konnte beobachtet werden. So verhindert ein einziges solches Rydberg-Exziton die Erzeugung eines weiteren Exzitons in seiner Umgebung – ein Effekt, der als Rydberg-Blockade bezeichnet wird.

Der Fortschritt in der Halbleitertechnologie während der letzten Jahrzehnte hat darauf beruht, hochreine künstliche Kristalle mit atomarer Präzision herzustellen. Eine Besonderheit der hier vorgestellten Untersuchungen ist, dass die Resultate nicht an künstlichen Kristallen gewonnen wurden, sondern überraschenderweise an natürlichen Kristallen, die vermutlich seit Millionen Jahren in der Erde lagerten, bevor sie aus der Tsumeb-Mine in Namibia gefördert wurden. Diese Mine ist für Mineralien sehr hoher Güte bekannt – dennoch überrascht die extrem hohe Reinheit dieser Kristalle.

Dass wasserstoffähnliche Rydberg-Exzitonen nun beobachtet wurden, eröffnet ganz neue Möglichkeiten, die mit Atomen so leicht nicht zu realisieren sind. So können an den Kristall Kontakte angebracht werden, mit denen sich elektrische Felder anlegen lassen. Dadurch könnten Rydberg-Exzitonen gezielt durch den Kristall transportiert oder miteinander zum Zusammenstoß gebracht werden. Die ersten Arbeiten in diese Richtung haben bereits begonnen.

Kontakt:
Universität Rostock
Institut für Physik
Prof. Professoren Heinrich Stolz und Stefan Scheel
Tel 0381 / 498 – 6780 oder 6920
Mail: heinrich.stolz@uni-rostock.de;
Mail: stefan.scheel@uni-rostock.de

Ingrid Rieck | Universität Rostock
Weitere Informationen:
http://www.uni-rostock.de

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