Direkte Abbildung von Quantenzuständen in zweidimensionalen Materialien

Wenn einige Halbleiter Licht absorbieren, können sich Exzitonen (oder Teilchenpaare aus einem Elektron, das an ein Elektronenloch gebunden ist) bilden. Zweidimensionale Kristalle aus Wolframdisulfid (WS2) haben einzigartige Exzitonenzustände, die in anderen Materialien nicht zu finden sind. Diese Zustände sind jedoch nur von kurzer Dauer und können sehr schnell von einem zum anderen wechseln.

Wissenschaftler haben einen neuen Ansatz entwickelt, um separate Bilder dieser einzelnen Quantenzustände zu erstellen. Durch die Verfolgung der einzelnen Quantenzustände zeigten die Forscher, dass die Kopplungsmechanismen, die zur Vermischung der Zustände führen, möglicherweise nicht vollständig mit den aktuellen Theorien übereinstimmen.

Wissenschaftler sind von Übergangsmetalldichalkogeniden, der Kristallfamilie, zu der auch Wolframdisulfid gehört, begeistert, weil sie Licht sehr stark absorbieren, obwohl sie nur wenige Atome dick sind. Forscher könnten diese Kristalle nutzen, um neue nanoskalige Solarzellen oder elektronische Sensoren zu bauen. Mit einer neuen Technik namens zeitaufgelöster Impulsmikroskopie können Forscher nun die Übergänge zwischen verschiedenen Quantenzuständen von Exzitonen besser verfolgen. Diese Technik ist breit anwendbar, sodass Wissenschaftler nun andere Materialien und Geräte der nächsten Generation unter dieses Impulsmikroskop untersuchen können, um zu sehen, wie sie funktionieren.

In einschichtigen Übergangsmetalldichalkogeniden (TMDs) wie WS2 können sich unter verschiedenen Bedingungen verschiedene lichtinduzierte Exzitonenzustände bilden. Durch Variieren der Wellenlänge oder Leistung des anregenden Lichts oder der Temperatur des Kristalls können unterschiedliche Exzitonenzustände entstehen oder bestehen bleiben. Zirkular polarisiertes Licht, bei dem sich die Richtung des elektrischen Feldes um die Richtung dreht, in der sich die Lichtwelle ausbreitet, kann selektiv Exzitonen mit einer bestimmten Quantenspinkonfiguration in einem bestimmten Satz von Energiebändern erzeugen.

Forscher der Stony Brook University haben ein einzigartiges Instrument entwickelt, um diesen Effekt unter verschiedenen Anregungsbedingungen mit ultraschnellem Licht direkt sichtbar zu machen und die komplexe Mischung von Quantenzuständen, die sich bilden können, zu entwirren.

Veröffentlicht in Briefe zur körperlichen UntersuchungDiese neuen Erkenntnisse zeigen, wie die Kraft, die das Elektron und das Elektronenloch im Exziton zusammenhält, auch zu einer sehr schnellen Kopplung oder Vermischung verschiedener Exzitonzustände beiträgt. Die Forscher zeigten, dass dieser Effekt zu einer Vermischung von Exzitonen mit unterschiedlichen Spinkonfigurationen führt und gleichzeitig sowohl Energie als auch Impuls im Kopplungsprozess erhalten bleibt.

Überraschenderweise zeigten die Ergebnisse, dass die Rate der Exzitonenmischung nicht von den Exzitonenenergien abhängt, wie die Forscher zuvor vorhergesagt hatten. Diese Studie liefert entscheidende experimentelle Unterstützung für einige aktuelle Theorien der Exzitonenkopplung in TMDs, wirft aber auch Licht auf wichtige Diskrepanzen. Das Verständnis des Zusammenspiels dieser Exzitonenzustände ist ein wichtiger Schritt zur Nutzung des Potenzials von TMDs für die Nanotechnologie und Quantensensorik.