Marburger Physiker machen die r\u00e4umliche und zeitliche Entwicklung von Exzitonen sichtbar. Sie haben die ersten Augenblicke auf dem Weg von Licht zu Strom gefilmt.
\nPhysikern der Philipps-Universit\u00e4t Marburg ist gemeinsam mit Kollegen der Universit\u00e4t Graz und des Forschungszentrums J\u00fclich ein wissenschaftlicher Durchbruch gelungen: Erstmals konnten sie die r\u00e4umliche Verteilung und zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion eines Exzitons in den ersten Augenblicken seines Lebens experimentell rekonstruieren. Die hochpr\u00e4zisen Experimente haben Prof. Dr. Ulrich H\u00f6fer und Doktorand Marcel Theilen an der Philipps-Universit\u00e4t Marburg durchgef\u00fchrt. Die Ergebnisse verbessern das Verst\u00e4ndnis der physikalischen Prozesse, die beispielsweise in organischen Solarzellen ablaufen und bei denen Licht in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Physical Review X“ erschienen.
\nWenn Licht auf ein Material trifft, werden Photonen absorbiert und regen Elektronen energetisch an. Dabei kann eine Bindung zwischen einem Elektron und dem zur\u00fcckbleibenden Elektronenloch entstehen. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes „Exziton“.
\nUm dessen Entwicklung sichtbar zu machen, regten H\u00f6fer und Theilen das Exziton zun\u00e4chst mit einem kurzen Laserimpuls an und l\u00f6sten das Elektron anschlie\u00dfend mit einem zweiten, hochenergetischen Laserimpuls aus dem angeregten Zustand heraus. Aus Energie und Winkelverteilung der gemessenen Photoelektronen l\u00e4sst sich anschlie\u00dfend die r\u00e4umliche Elektronenverteilung rekonstruieren. Indem die beiden Laserpulse mit einer Genauigkeit von wenigen Femtosekunden (Millionstel Milliardstel Sekunde) gegeneinander verschoben werden, entstehen Momentaufnahmen der zeitlichen Entwicklung. Die organischen Halbleiterproben stellte das Team um Prof. Dr. Stefan Tautz am Forschungszentrum J\u00fclich her und transportierte sie unter Ultrahochvakuumbedingungen nach Marburg. Das Team um Prof. Dr. Peter Puschnig von der Universit\u00e4t Graz entwickelte die theoretischen Konzepte und Modelle, mit denen sich aus den Marburger Messdaten die quantenmechanische Wellenfunktion rekonstruieren lie\u00df.
\nDie Messungen zeigen erstmals unmittelbar, wie sich ein Exziton kurz nach seiner Entstehung ver\u00e4ndert: Zun\u00e4chst ist das Elektron-Loch-Paar \u00fcber etwa drei Molek\u00fcle ausgedehnt, innerhalb von rund 400 Femtosekunden schrumpft seine r\u00e4umliche Ausdehnung dann um etwa 25 Prozent. M\u00f6glich wurde dieser Einblick durch die zeitaufgel\u00f6ste Photoemissions-Orbitaltomographie.
\n„Das Besondere an der Methode ist, dass sie uns einen vergleichsweise direkten Zugang zur quantenmechanischen Wellenfunktion gibt, die beschreibt, wo sich die Elektronen mit welcher Wahrscheinlichkeit aufhalten“, erkl\u00e4rte H\u00f6fer. Die experimentelle Technik daf\u00fcr wurde \u00fcber viele Jahre an der Philipps-Universit\u00e4t Marburg im Sonderforschungsbereich 1083 „Struktur und Dynamik innerer Grenzfl\u00e4chen“ entwickelt. Bereits 2021 konnte H\u00f6fers Gruppe damit erstmals filmen, wie sich Elektronen beim Ladungstransfer an einer Metall-Organik-Grenzfl\u00e4che bewegen. Die Arbeiten legten zugleich eine wesentliche Grundlage f\u00fcr das ERC-Synergy-Projekt „Orbital Cinema“. Im Rahmen dieses EU-Projekts arbeitet H\u00f6fer derzeit an der Universit\u00e4t Regensburg an einem \u00e4hnlichen Experiment mit Attosekunden-Zeitaufl\u00f6sung (Milliardstel Milliardstel Sekunde).<\/p>\n
* pm: Philipps-Universit\u00e4t Marburg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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