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Links: Durch Anlegen einer Spannung an die obere und untere Elektrode sammeln sich im Halbleiter Löcher (blau) und Elektronen (rot) an. Zwischen diesen Bereichen bildet sich ein elektrisches Feld, durch das Exzitonen (blau/rot) polarisiert und eingefangen werden können. Rechts: In der resultierenden «Falle» werden die Exzitonen zum Energieminimum hingezogen. (Grafik: Puneet Murthy / ETH Zürich)

Forschenden der ETH Zürich ist es erstmals gelungen, Exzitonen - also Quasiteilchen aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Fehlstellen - in einem Halbleitermaterial mit steuerbaren elektrischen Feldern einzufangen. Die neue Technik ist sowohl für die Herstellung von Einzelphotonen-Quellen als auch für die Grundlagenforschung wichtig.

In Halbleitermaterialien kann Strom sowohl von Elektronen als auch von positiv geladenen Löchern, also fehlenden Elektronen, geleitet werden. Durch Lichteinfall können Elektronen zudem in ein höheres Energieband befördert werden, wodurch im ursprünglichen Band ein Loch übrigbleibt. Elektron und Loch werden nun durch elektrostatische Anziehung zu einem so genannten Exziton, einem Quasiteilchen, das sich insgesamt wie ein neutrales Teilchen verhält. Wegen ihrer elektrischen Neutralität liessen sich Exzitonen bislang nur schwer an einer bestimmten Stelle eines Materials festhalten.

Einem Team von Wissenschaftlern um Ataç Imamoğlu, Professor am Departement Physik, Puneet Murthy , Postdoc in dessen Gruppe, und David Norris, Professor am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich, ist es nun erstmals gelungen, Exzitonen mit steuerbaren elektrischen Feldern auf kleinstem Raum einzufangen und die Quantisierung ihrer Bewegung nachzuweisen. Von diesen soeben im Fachjournal Nature veröffentlichten Ergebnissen erhoffen sich die Forschenden Fortschritte bei Anwendungen in optischen Technologien und neue Einblicke in fundamentale physikalische Phänomene.

Wichtige Schnittstelle

«Exzitonen spielen eine wichtige Rolle an der Schnittstelle zwischen Halbleitern und Licht», sagt Murthy. Sie kommen unter anderem in Lichtsensoren, Solarzellen oder auch neuartigen Einzelphotonen-Quellen für Quantentechnologien zum Einsatz. Sie auf kontrollierte Weise einzufangen, ist seit vielen Jahren ein ehrgeiziges Ziel in der Festkörperforschung.

Ihre Exzitonen-Fallen stellen die Physiker her, indem sie eine dünne Schicht des Halbleitermaterials Molybdän-Diselenid zwischen zwei Isolatoren packen und oben und unten jeweils eine Elektrode hinzufügen (s. Grafik). Die obere Elektrode bedeckt dabei nur einen Teil des Materials. Dadurch bildet sich bei Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld, dessen Stärke von der Position im Material abhängt. Dies führt wiederum dazu, dass sich im Halbleiter direkt unterhalb der oberen Elektrode positiv geladene Löcher, anderswo dagegen negativ geladene Elektronen ansammeln. Zwischen diesen beiden Zonen entsteht so in der Ebene des Halbleitermaterials ebenfalls ein elektrisches Feld.

Quantisierung der Exzitonen-Bewegung

«Dieses elektrische Feld, das sich über eine kurze Entfernung stark ändert, kann die Exzitonen im Material sehr effektiv einfangen», erklärt Deepankur Thureja, Doktorand und Erstautor der Studie, der die Experimente gemeinsam mit Murthy ausgeführt hat. Die Exzitonen sind zwar elektrisch neutral, können aber durch elektrische Felder polarisiert werden. Das bedeutet, dass Elektron und Loch des Exzitons etwas weiter auseinandergezogen werden. Dadurch entsteht ein elektrisches Dipolfeld, das mit dem äusseren Feld wechselwirkt und so eine Kraft auf das Exziton ausübt.

Um experimentell nachzuweisen, dass dieses Prinzip tatsächlich funktioniert, liessen die Forschenden Laserlicht verschiedener Wellenlängen auf das Material fallen und massen jeweils die Lichtreflexion. Dabei sahen sie eine Reihe von Resonanzen, also Wellenlängen, bei denen das Licht stärker als erwartet reflektiert wurde. Diese Resonanzen konnten zudem durch Änderung der Spannung, die an die Elektroden angelegt wurde, eingestellt werden. «Das war für uns ein eindeutiges Zeichen, dass die elektrischen Felder eine Falle für die Exzitonen erzeugen und dass die Bewegung der Exzitonen darin quantisiert ist», sagt Thureja. Quantisiert bedeutet dabei, dass die Exzitonen nur ganz bestimmte Energiezustände annehmen können, wie zum Beispiel auch Elektronen in einem Atom. Aus den Positionen der Resonanzen konnten Imamoğlu und seine Mitarbeiter schliessen, dass die von den elektrischen Feldern erzeugte Exzitonen-Falle weniger als zehn Nanometer gross war.

Anwendungen in Quanteninformationsverarbeitung

Sowohl für praktische Anwendungen als auch für grundlegende Fragen sind solche stark gefangenen Exzitonen äusserst wichtig, sagt Murthy: «Elektrisch steuerbare Exzitonen-Fallen waren bislang ein fehlendes Glied in der Kette.» Nun ist es den Physikern zum Beispiel möglich, viele solcher gefangener Exzitonen aneinander zu reihen und sie so zu justieren, dass sie Photonen mit exakt den gleichen Eigenschaften aussenden. «Damit könnte man dann identische Einzelphoton-Quellen für die Quanteninformationsverarbeitung herstellen», erklärt Murthy. Und Imamoğlu fügt hinzu: «Auch für die Grundlagenforschung eröffnen diese Fallen neue Perspektiven. Sie werden es uns unter anderem ermöglichen, Nicht-Gleichgewichts-Zustände von stark wechselwirkenden Exzitonen zu untersuchen. »

Literaturhinweis

Thureja D et al. Electrically tunable quantum confinement of neutral excitons. Nature, online publiziert am 25. Mai 2022; doi: 10.1038/s41586’022 -04634-z

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