Forschern gelingt es, zwei Arten von Elektron-Loch-Paaren zu koppeln

Zweidimensionale Van-der-Waals-Materialien stehen seit einiger Zeit im Fokus der Arbeiten zahlreicher Forschungsgruppen. Diese Strukturen sind nur wenige Atomlagen dick und werden im Labor hergestellt, indem atomdicke Schichten verschiedener Materialien kombiniert werden (in einem Verfahren, das als „atomares Lego“ bezeichnet wird). Wechselwirkungen zwischen den gestapelten Schichten ermöglichen es den Heterostrukturen, Eigenschaften aufzuweisen, die den einzelnen Bestandteilen fehlen.

Zweischichtiges Molybdändisulfid ist ein solches Van-der-Waals-Material, in dem mit einem geeigneten Versuchsaufbau Elektronen angeregt werden können. Diese negativ geladenen Teilchen verlassen dann ihre Position im Valenzband, hinterlassen ein positiv geladenes Loch und treten in das Leitungsband ein. Aufgrund der unterschiedlichen Ladungen von Elektronen und Löchern ziehen sich beide an und bilden ein sogenanntes Quasiteilchen. Letzteres wird auch als Elektron-Loch-Paar oder Exziton bezeichnet und kann sich innerhalb des Materials frei bewegen.

In zweischichtigem Molybdändisulfid erzeugt die Anregung mit Licht zwei verschiedene Arten von Elektron-Loch-Paaren: Intralayer-Paare, bei denen Elektron und Loch in derselben Schicht des Materials lokalisiert sind, und Interlayer-Paare, in denen sich Loch und Elektron befinden unterschiedlichen Schichten und sind somit räumlich voneinander getrennt.

Diese beiden Arten von Elektron-Loch-Paaren haben unterschiedliche Eigenschaften: Intralayer-Paare interagieren stark mit Licht – mit anderen Worten, sie leuchten sehr hell. Auf der anderen Seite sind Zwischenschicht-Exzitonen viel dunkler, können aber zu unterschiedlichen Energien verschoben werden und ermöglichen es den Forschern daher, die absorbierte Wellenlänge anzupassen. Anders als Intralayer-Exzitonen weisen Interlayer-Exzitonen auch sehr starke, nichtlineare Wechselwirkungen untereinander auf – und diese Wechselwirkungen spielen eine wesentliche Rolle bei vielen ihrer potenziellen Anwendungen.

Zusammenlegung von Liegenschaften

Nun haben die Forscher der Gruppe um Professor Richard Warburton vom Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute (SNI) der Universität Basel diese beiden Arten von Elektron-Loch-Paaren gekoppelt, indem sie beide auf ähnliche Energien gebracht haben. Diese Konvergenz ist nur dank der Einstellbarkeit von Zwischenschicht-Exzitonen möglich, und die resultierende Kopplung bewirkt, dass die Eigenschaften der beiden Arten von Elektron-Loch-Paaren verschmelzen. Die Forscher können daher verschmolzene Teilchen maßschneidern, die nicht nur sehr hell sind, sondern auch sehr stark miteinander wechselwirken.

„Dadurch können wir die nützlichen Eigenschaften beider Arten von Elektron-Loch-Paaren kombinieren“, erklärt Lukas Sponfeldner, Doktorand am SNI Ph.D. Schule und Erstautor der Arbeit. „Diese zusammengeführten Eigenschaften könnten genutzt werden, um eine neuartige Quelle einzelner Photonen zu erzeugen, die ein Schlüsselelement der Quantenkommunikation sind.“

Kompatibel mit klassischen Modellen

In dem Papier, das in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Überprüfungzeigen die Forscher auch, dass sich dieses komplexe System aus Elektron-Loch-Paaren mit klassischen Modellen aus der Mechanik oder Elektronik simulieren lässt.

Insbesondere Elektron-Loch-Paare können sehr gut als schwingende Massen oder Kreise beschrieben werden. „Diese einfachen und allgemeinen Analogien helfen uns, die grundlegenden Eigenschaften gekoppelter Teilchen besser zu verstehen, nicht nur in Molybdändisulfid, sondern auch in vielen anderen Materialsystemen und Zusammenhängen“, erklärt Professor Richard Warburton.