Kopplung von Elektron-Loch-Paaren

Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, unterschiedliche Arten von Elektron-Loch-Paaren (Exzitonen) in dem van-der-Waals-Material Molybdändisulfid zu koppeln. Die Forschenden können dadurch die unterschiedlichen Eigenschaften der zwei Arten von Elektron-Loch-Paaren nutzen und regeln. Diese erfolgreiche Kopplung könnte dazu dienen eine neuartige Quelle für einzelne Lichtteilchen (Photonen) herzustellen. Zudem ist die Untersuchung und Modellierung der Exziton-Exziton-Kopplung für das Verständnis der fundamentalen Halbleiterphysik relevant. Die Forschenden veröffentlichten die Ergebnisse zusammen mit Kollegen der Universität Toulouse kürzlich in dem Wissenschaftsjournal Physical Review Letters.

Zweidimensionale, sogenannte van-der-Waals-Materialien stehen seit einiger Zeit im Fokus zahlreicher Forschungsgruppen. Mit einer Dicke von nur wenigen Atomlagen werden diese Strukturen im Labor durch Stapelung unterschiedlicher atomarer Materiallagen hergestellt (in einem Prozess, der «atomares Lego» genannt wird). Durch Wechselwirkungen zwischen den Schichten kann die gestapelte Heterostruktur Eigenschaften aufweisen, welche die Einzelbestandteile nicht besitzen.

Durch die Kopplung der beiden verschiedenen Elektron-Loch-Paaren verschmelzen deren unterschiedliche Eigenschaften. (Bild: L. Sponfeldner, SNI und Departement Physik, Universität Basel)

Entstehung von verschiedenen Elektron-Loch-Paaren
Zweilagiges Molybdändisulfid gehört zu diesen van-der-Waals-Materialien. Bei einem geeigneten Versuchsaufbau lassen sich negativ geladene Elektronen in dem Material mit Licht anregen. Die Elektronen verlassen ihren Platz in dem sogenannten Valenzband, hinterlassen dort ein positiv geladenes Loch und gelangen selbst in das Leitungsband. Aufgrund der unterschiedlichen Ladung von Elektron und Loch ziehen sich die beiden an und bilden ein sogenanntes Quasiteilchen, das auch Elektron-Loch-Paar oder Exziton genannt wird und sich frei in dem Material bewegen kann.

 

In zweilagigem Molybdändisulfid bilden sich nach der Anregung mit Licht zwei verschiedene Arten von Elektron-Loch-Paaren – zum einen Intralagen-Paare, bei denen Elektron und Loch in derselben Materiallage lokalisiert sind, zum anderen Interlagen-Paare, deren Loch und Elektron sich in verschiedenen Materiallagen befinden und damit räumlich getrennt sind.

Diese beiden Arten von Elektron-Loch-Paaren haben unterschiedliche Eigenschaften. Die Intralagen-Paare haben starke Wechselwirkungen mit Licht – leuchten also sehr hell. Die Interlagen-Exzitonen sind im Vergleich viel trüber, lassen sich aber energetisch verschieben, was zur Regulierbarkeit der absorbierten Wellenlänge führt. Im Gegensatz zu Intralagen-Exzitonen weisen Interlagen-Exzitonen auch eine sehr starke, nichtlineare Interaktion untereinander auf. Diese Interaktion ist essentiell für viele Anwendungen.

Verschmelzung der Eigenschaften
Die Forschenden aus der Gruppe von Prof. Dr. Richard Warburton vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute (SNI) der Universität Basel haben nun diese beiden Arten von Elektron-Loch-Paaren experimentell gekoppelt, indem sie die beiden energetisch nahe aneinander brachten. Diese Annäherung wird erst durch die Regulierbarkeit der Interlagen-Exzitonen ermöglicht. Durch die Kopplung verschmelzen die Eigenschaften der beiden Arten von Elektron-Loch-Paaren. Je nach Bedarf können die Forschenden auf diese Weise verschmolzene Teilchen erzeugen, die sowohl sehr hell sind als auch sehr stark miteinander interagieren.

«Wir können damit die guten Eigenschaften von beiden Arten der Elektron-Loch-Paare kombinieren», erläutert Lukas Sponfeldner, Doktorand der SNI-Doktorandenschule und Erstautor der Arbeit. «Mithilfe dieser verschmolzenen Eigenschaften wäre es möglich, eine neuartige Quelle für einzelne Lichtteilchen (Photonen) herzustellen, die für die Quantenkommunikation wichtig sind», ergänzt er.

Mit klassischem Modell modellierbar
Die Forschenden konnten in der Arbeit, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, ebenfalls zeigen, dass sich das komplexe System der Elektron-Loch-Paare mithilfe klassischer Modelle aus der Mechanik oder der Elektronik simulieren lässt. Elektron-Loch-Paare können sehr gut als schwingende Massen oder Schaltkreise beschrieben werden. «Diese einfachen und allgemeinen Analogien helfen uns, fundamentale Eigenschaften von gekoppelten Teilchen besser zu verstehen, nicht nur in Molybdändisulfid, sondern auch in vielen anderen Materialsystemen und Zusammenhängen», erklärt Prof. Dr. Richard Warburton.

Originalbeitrag

Capacitively and Inductively Coupled Excitons in Bilayer MoS2

Lukas Sponfeldner, Nadine Leisgang, Shivangi Shree, Ioannis Paradisanos, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Cedric Robert, Delphine Lagarde, Andrea Balocchi, Xavier Marie, Iann C. Gerber, Bernhard Urbaszek, and Richard J. Warburton
Phys. Rev. Lett. 129, 107401

 

Weitere Informationen

Forschungsgruppe Warburton

Prof. Dr. Richard Warburton
Department of Physics
Klingelbergstrasse 82
4056 Basel
Switzerland
richard.warburton@unibas.ch

Lukas Sponfeldner
Department of Physics
Klingelbergstrasse 82
4056 Basel
Switzerland
lukas.sponfeldner@unibas.ch