Marburger Physiker entschl\u00fcsseln den Transport in atomar d\u00fcnnen Materialien. Ihre neue Studie zeigt, wie Gitterschwingungen den \u00dcbergang von ultraschnellem zu langsamem Lichttransport in zweidimensionalen Halbleitern steuern.
\nWie bewegen sich Licht-Materie-Teilchen in Materialien, die nur aus einer einzigen Atomlage bestehen? Ein Team um den Physiker Prof. Dr. Ermin Malic von der Philipps-Universit\u00e4t Marburg hat erstmals eine mikroskopische Beschreibung des Exziton-Polaritonen-Transports in solchen zweidimensionalen Halbleitern entwickelt. Die Forschenden zeigen, dass diese hybriden Licht-Materie-Teilchen drei unterschiedliche Bewegungsphasen durchlaufen.
\nzun\u00e4chst ist das einen blitzschnellen, ballistischen Transport, gefolgt von einer superdiffusiven \u00dcbergangsphase und schlie\u00dflich einer langsamen, exziton-dominierten Diffusion. Entscheidend dabei sind Gitterschwingungen (Phononen), die den \u00dcbergang zwischen diesen Phasen steuern und damit den Energiefluss im Material pr\u00e4gen. Die Forschenden berichten dr\u00fcber in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Science Advances“.
\nExzitonen entstehen, wenn ein Elektron durch Licht in einen h\u00f6heren Zustand angeregt wird und ein positiv geladenes Loch zur\u00fcckl\u00e4sst – gemeinsam bilden sie ein gebundenes Teilchenpaar, n\u00e4mlich das Exziton. Koppeln diese Exzitonen in einer optischen Mikrokavit\u00e4t mit Licht, entstehen sogenannte „Exciton-Polaritonen“, die sich deutlich schneller bewegen k\u00f6nnen als reine Materieteilchen.
\n„Unsere Berechnungen zeigen erstmals im Detail, wie Phononen – also Gitterschwingungen – diesen Prozess kontrollieren und wie sich dadurch die Geschwindigkeit und Richtung des Lichttransports gezielt beeinflussen lassen“, erkl\u00e4rte Erstautor Dr. Jamie Fitzgerald. Er ist Postdoc in der Forschungsgruppe „Ultraschnelle Quantendynamik“, an der Philipps-Universit\u00e4t Marburg, die von dem Physiker Prof. Ermin Malic geleitet wird.
\nF\u00fcr ihre Untersuchung nutzten die Forscher aufw\u00e4ndige numerische Simulationen, die auf der L\u00f6sung der Boltzmann-Transportgleichung f\u00fcr Exziton-Polaritonen beruhen. Dabei wurden s\u00e4mtliche relevanten Wechselwirkungen zwischen Lichtteilchen, Exzitonen und Phononen mikroskopisch genau ber\u00fccksichtigt – inklusive der sonst oft vernachl\u00e4ssigten, sogenannten „dunklen“ Exzitonzust\u00e4nde. Das Team fokussierte sich auf MoSe2-Monolagen, die in einer Fabry-P\u00e9rot-Mikrokavit\u00e4t eingeschlossen sind. Auf diese Weise gelang es, experimentell relevante Bedingungen am Computer exakt nachzubilden und die Propagation der Licht-Materie-Quasiteilchen im Pikosekundenbereich vorherzusagen.
\nDie Ergebnisse liefern ein fundamentales Verst\u00e4ndnis f\u00fcr den Lichttransport in atomar d\u00fcnnen Materialien und k\u00f6nnten k\u00fcnftig helfen, energieeffiziente optoelektronische Bauelemente wie photonische Schaltkreise oder neuartige Sensoren zu entwickeln. Das theoretische Modell der Marburger Forschenden schafft damit die Grundlage, um in Zukunft Lichtsignale auf der Nanoskala gezielt zu steuern. Das sei „ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu ultrakompakter, lichtbasierter Informationstechnologie“, kommentierte Malic.<\/p>\n
* pm: Philipps-Universit\u00e4t Marburg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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