Dunkle Exzitonen werfen neues Licht auf die Materie

Ein Team von Monash-Forschern hat zum ersten Mal die gesamten Auswirkungen der Wechselwirkungen zwischen Exziton-Polaritonen und ihrem zugehörigen dunklen Exzitonenreservoir aufgedeckt. Die Studie, „Polaronische Polariton-Quasiteilchen in einem dunklen exzitonischen Medium,“ wurde veröffentlicht in Körperliche Überprüfung B.

Exziton-Polaritonen (kurz: Polaritonen) sind hybride Mischungen aus Licht und Materie, die die besten Eigenschaften beider Materialien in sich vereinen. Sie entstehen in Halbleitern, die zwischen zwei Spiegeln angeordnet sind, durch die ein Laserstrahl hindurchscheint.

„Polaritonen erfassen nützliche Eigenschaften von Materie und Licht“, sagt der Hauptautor Kenneth Choo. „Ihr ‚Materie‘-Anteil bedeutet, dass wir sie durch ihre Wechselwirkungen manipulieren können. Der ‚Licht‘-Anteil macht das Polariton hingegen nahezu masselos, was zur Bildung eines supraflüssigen Kondensats führt, das mühelos fließt.“

„Wenn man sie zusammenfügt, entsteht eine neue Art von ‚flüssigem Licht‘, das wir leiten und steuern können. Dies könnte die Grundlage für die nächste Computergeneration sein, die Licht zum Aufbau von Schaltkreisen nutzt“, sagt Kenneth, der an der Monash University promoviert.

Aber zu jedem Yang gehört auch ein Yin, und so ist es auch mit dem dunklen Gegenstück des Polaritons – einem dunklen Exziton.

Diese dunklen Exzitonen sind nicht an Licht gekoppelt, können aber dennoch mit den Polaritonen interagieren.

„Wenn Polaritonen in Experimenten gebildet werden, sind sie in der Regel von einem beträchtlichen Reservoir dieser dunklen Exzitonen begleitet, die sich zusammen mit ihnen bilden. Die Tatsache, dass sie dunkel sind, bedeutet jedoch, dass es schwierig war, ihre wahre Wirkung zu erkennen“, sagt die korrespondierende Autorin Prof. Meera Parish.

Eine berühmte Technik wird dem Anlass entsprechend gekleidet

Die Monash-Forscher verwendeten ein als Fermi-Flüssigkeitstheorie bekanntes Konzept, um die Wirkung des dunklen Reservoirs auf die hellen Polaritonen zu erklären. Die grundlegende Idee besteht darin, die (vielen, vielen) möglichen Wechselwirkungen auf ein neues „Quasiteilchen“ abzubilden – eines mit einer anderen Masse, Energie und Lebensdauer als das Original. Dadurch kann das Vielteilchensystem so behandelt werden, als wäre es ein einzelnes Teilchen.

Ein solches Quasiteilchen ist das Polaron, das man sich als „Einflusszone“ um das ursprüngliche Teilchen vorstellen kann.

Durch den Einsatz dieser Technik und die Einbeziehung aller möglichen Wechselwirkungen zwischen zwei Teilchen stellten sie fest, dass das helle Polariton durch Anregungen des dunklen Mediums „angezogen“ wird und ein neues Quasiteilchen namens Polariton entsteht.

Physikalisch zeigt sich dies als eine Verringerung der Stärke der Licht-Materie-Kopplung bei zunehmender Dichte dunkler Exzitonen, ein Effekt, der im Experiment häufig zu beobachten ist.

Im Gegensatz dazu wird die Stärke der Wechselwirkungen zwischen dem dunklen Reservoir und den Polaritonen verstärkt, insbesondere wenn die Spins von Reservoir und Polariton unterschiedlich sind. Dieser Effekt kann so stark sein, dass ein zusätzliches Quasiteilchen entsteht – das Biexziton-Polariton –, das mit dem gebundenen Zustand zweier Exzitonen mit entgegengesetztem Spin verbunden ist.

Dieses Phänomen, bekannt als Feshbach-Resonanz, wurde erstmals in ultrakalten Atomgasen beobachtet und verspricht, die Wechselwirkungsstärke auf jeden gewünschten Wert einstellen zu können. Es wäre dann möglich, Reservoir-„Hügel“ und „Täler“ zu erzeugen, die den Fluss des Polariton-Kondensats leiten und diese dann durch Umlegen eines (Laser-)Schalters umstellen.

Was kommt als nächstes?

Diese Studie eröffnet neue Möglichkeiten im Bereich der Reservoirtechnik. Es wurden bereits experimentelle Fortschritte bei der Verwendung dieses dunklen Reservoirs zum Einfangen und Fokussieren der hellen Polaritonen erzielt, und die Studie zeigt, wie das Reservoir verwendet werden kann, um die Polaritonen selbst grundlegend zu verändern.

Darüber hinaus bietet diese Studie eine neue Möglichkeit, alte Ergebnisse zu betrachten: Durch die Berücksichtigung des bislang unbekannten Einflusses des Reservoirs ist eine genauere Bestimmung der Wechselwirkungsstärken möglich.