Neues Quasiteilchen in Halbleitern entdeckt

Wellengebirge, das aus drei konzentrischen Ringen besteht, deren Radius zum Mittelpunkt hin abnimmt. Aus der Mitte ragt ein Peak wie ein langer Stab heraus. Im Hintergrund zwei weitere Ringgebirge dieser Art.
Quantentröpfchen

Physiker haben ein neuartiges Quasiteilchen identifiziert, das entsteht, wenn Halbleiter mit Laserlicht bestrahlt werden. Wie das Forscherteam in der aktuellen Ausgabe des Fachblattes „Nature“ schreibt, verhält sich das Quasiteilchen wie ein Flüssigkeitstropfen, jedoch mit quantenphysikalischen Eigenschaften. Die Autoren bezeichnen ihre Entdeckung daher als Quantentröpfchen oder Dropleton.

Experimentalphysiker am JILA, einem gemeinsamen Institut der University of Colorado und dem National Institute of Standards and Technology, bestrahlten eine Halbleiterverbindung aus Gallium und Arsen mit ultraschnellen, roten Laserpulsen. Im Halbleiter bildeten sich daraufhin freie Elektronen, die gleichzeitig Fehlstellen – sogenannte Löcher – in tiefer liegenden Energieniveaus des Materials zurückließen. Eine solches Loch verhält sich wie eine positive Ladung; zusammen mit dem negativ geladenen Elektron kann es ein gebundenes Paar bilden, das sich gemeinsam durch den Kristall bewegt.

Im Experiment zeigten sich jedoch Effekte, die nicht zu den bislang bekannten Quasiteilchen passen: Die neu entdeckten Dropletons verhalten sich wie Flüssigkeiten, sind aber so klein, dass sie diskrete Energiezustände aufweisen wie ein Atom. Die Experimentatoren konfrontierten Kollegen aus der theoretischen Physik mit ihren unerklärlichen Versuchsergebnissen. „Quantentröpfchen bestehen aus wenigen Paaren von Elektronen und Löchern – je vier, fünf oder sechs davon“, erklärt Koautor Mackillo Kira von der Universität Marburg. „Physikalisch lassen sie sich als eine Art Blase in einem umgebenden Plasma beschreiben“, ergänzt sein Kollege Stefan Koch. Den Physikern gelang es, ein neuartiges theoretisches Konzept auf das Halbleitersystem anzuwenden und darin eine bisher unbekannte stabile Konfiguration zu identifizieren.

Die Lebensdauer der neu entdeckten Quasiteilchen beträgt nur etwa 25 billionstel Sekunden. „Das reicht aber, um sie künftig noch genauer zu erforschen“, sagt Teammitglied Martin Mootz von der Universität Marburg. Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, die Wechselwirkung zwischen Licht und Quantenzuständen in Materie besser zu verstehen, etwa in optoelektronischen Bauelementen. Zudem können Quasiteilchen exotische Eigenschaften aufweisen, die möglicherweise die Funktion solcher Systeme beeinflussen.