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Bose-Einstein-Kondensate aus Licht und Materie im Halbleiter erzeugt
Wenn Licht und Materie gemeinsam einen Quantenzustand bilden, kann dieser kohärente Strahlung aussenden. Forschern ist es gelungen, die Energie dieser Strahlung über die magnetische Ordnung eines Halbleiters zu verändern. Bei einem Magnetfeld von zwei Tesla verschob sich die Lichtenergie um bis zu 10,5 Millielektronenvolt. Der Effekt könnte neue Steuerungsmöglichkeiten eröffnen, wurde aber bislang nur bei sehr tiefen Temperaturen nachgewiesen.
Regensburg (Deutschland). In einem Bose-Einstein-Kondensat sammeln sich viele Teilchen im selben quantenmechanischen Zustand. Statt sich unabhängig voneinander zu verhalten, bilden sie ein gemeinsames Wellenmuster. Während die ersten derartigen Kondensate in stark gekühlten Atomgasen entstanden, lassen sich verwandte Zustände auch mit Licht und Materie in Halbleitern erzeugen.
Dafür werden sogenannte Exziton-Polaritonen genutzt. Sie entstehen, wenn ein Elektron-Loch-Paar im Halbleiter, ein Exziton, stark an das Lichtfeld zwischen zwei Spiegeln gekoppelt ist. Die so gebildeten Mischteilchen besitzen eine sehr geringe effektive Masse und können einen gemeinsamen Zustand besetzen. Schwieriger ist es, die Eigenschaften eines solchen Kondensats und die Energie seines ausgesandten Lichts nachträglich gezielt einzustellen.
Forscher der Technischen Universität München (TUM) um Dr. Florian Dirnberger haben dafür einen magnetischen Halbleiter untersucht. Das internationale Team verwendete Chrom-Sulfid-Bromid (CrSBr), dessen Kristall aus übereinanderliegenden dünnen Schichten besteht. Die Forscher brachten schmale Kristallstreifen zwischen zwei Spiegel und erzeugten so winzige optische Resonatoren, in denen Licht und elektronische Anregungen miteinander wechselwirken.
Mit ultrakurzen Laserpulsen haben die Wissenschaftler die Exziton-Polaritonen angeregt und die abgegebene Strahlung gemessen. Ab einer bestimmten Anregungsstärke nahm die Lichtintensität überproportional zu. Als das Team die eingestrahlte Energiedichte auf etwa das Dreifache erhöhte, stieg die Emission des untersuchten Zustands um mehr als das Hundertfache.
Gleichzeitig verengte sich die Spektrallinie des ausgesandten Lichts von 19 auf 8,7 Millielektronenvolt. Interferenzmessungen bestätigten außerdem, dass die Lichtwellen räumlich und zeitlich zunehmend im gleichen Takt schwingen. Diese Kohärenz ist ein wichtiges Kennzeichen des gemeinsamen Quantenzustands.
„Sobald die Schwelle zur Kondensation erreicht ist, nimmt die Intensität des ausgesandten Lichts sprungartig um mehr als das Hundertfache zu. Gleichzeitig verhalten sich die Lichtwellen geordnet und schwingen gewissermaßen im gleichen Takt. Durch diese sogenannte Kohärenz haben wir einen eindeutigen Nachweis für die Kondensation“, erklärt Dr. Heng Zhang von der Universität Regensburg (UR).
Das Besondere an CrSBr ist die Magnetisierung seiner dünnen Kristalllagen. Innerhalb einer Schicht sind die magnetischen Momente der Elektronen gleichgerichtet, zwischen benachbarten Schichten zeigen sie zunächst jedoch in entgegengesetzte Richtungen. Dieses Muster heißt antiferromagnetische Ordnung und beeinflusst, wie sich elektronische Anregungen durch das Material ausbreiten.
Legten die Forscher ein äußeres Magnetfeld senkrecht zu den Schichten an, richteten sich die magnetischen Momente zunehmend parallel aus. Dabei veränderten sich auch die Eigenschaften der Exziton-Polaritonen. Das Kondensat entstand sowohl ohne Magnetfeld als auch im stark magnetisierten Zustand. Seine abgegebene Lichtenergie ließ sich beim Übergang zwischen beiden Zuständen jedoch deutlich verschieben.
Bei zwei Tesla erreichte diese Verschiebung bis zu 10,5 Millielektronenvolt. Der Effekt entsteht nicht durch eine bloße Veränderung des angelegten Laserlichts, sondern hängt mit der Umordnung der Elektronenspins im Kristall zusammen. Damit beeinflusst das Magnetfeld einen ausgedehnten kohärenten Quantenzustand über die inneren magnetischen Eigenschaften seines Trägermaterials.