Ein Elektron (blau) und ein Loch (rot) prallen in einem Wolframdiselenid-Kristall (Gitter) zusammen. Die dabei freiwerdende Energie entlädt sich in hochenergetischen Photonen (bunter Lichtstrahl).

Ein Teilchenbeschleuniger für Quasiteilchen

Die komplexen Wechselwirkungen von Billionen von Teilchen in einem Festkörper lassen sich auf einzelne Objekte, sogenannte Quasiteilchen, reduzieren. Genau wie gewöhnliche Teilchen besitzen auch diese Eigenschaften wie Masse oder Impuls, doch gehen sie erst aus dem Zusammenspiel mehrerer Teilchen hervor und existieren nur innerhalb des Festkörpers. Einem Forscherteam um Fabian Langer von der Universität Regensburg ist es nun gelungen, solche Quasiteilchen erstmals gezielt miteinander kollidieren zu lassen.

In ihren Experimenten erzeugte das Team mithilfe eines superkurzen Lichtblitzes zunächst Paare von Quasiteilchen, sogenannte Elektron-Lochpaare, im Halbleiter Wolframdiselenid. Die gegensätzlich geladenen Quasiteilchen ziehen einander elektrostatisch an und bilden einen atomähnlichen Komplex, den man als Exziton bezeichnet. Die Forscher mussten nun extrem schnell vorgehen, denn die Quasiteilchen existieren nur für einen winzigen Augenblick – etwa zehn Femtosekunden lang, wobei eine Femtosekunde 10-15 Sekunden entspricht –, ehe sie durch Stöße mit umliegenden Elektronen unkontrolliert gestört werden und zerfallen.

Dieses Problem umgingen Langer und seine Kollegen mit der Terahertz-Hochfeldquelle an der Universität Regensburg. Das starke, schwingende Lichtfeld aus dieser Quelle trennt die beiden Quasiteilchen zunächst voneinander, um sie anschließend mit hoher Geschwindigkeit wieder miteinander kollidieren zu lassen. Der gesamte Beschleunigungsprozess läuft dabei schneller als eine einzige Lichtschwingung ab. Die Kollisionen führen zu ultrakurzen Lichtblitzen, die wiederum Rückschlüsse auf die Struktur der Quasiteilchen zulassen.

Die Experimente und Berechnungen der Forscher belegen, dass grundlegende Konzepte für Beschleuniger aus der Teilchenphysik ebenso für Verfahren in der Festkörperphysik genutzt werden können. Sie bieten damit erstmals die Möglichkeit, Quasiteilchen und ihre Wechselwirkungen direkt in denjenigen Materialien, in denen sie vorkommen, zu untersuchen. Die Experimente bieten daher neuartige Einblicke in die Eigenschaften von Quasiteilchen – und da Quasiteilchen wesentliche Eigenschaften eines Materials wie etwa seine elektrische Leitfähigkeit beeinflussen, könnten sie vielleicht sogar zur Lösung einiger Rätsel der modernen Physik wie etwa den Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung beitragen.