Für Solarzellen und unzählige andere Technologien sind Halbeiter unverzichtbar. Entscheidend dafür ist ihre Fähigkeit, bei Anregung durch Licht oder andere Energien ihre elektronische Struktur zu verändern: Elektronen im Halbleitermaterial verlassen ihre ursprüngliche Position und erzeugen positiv geladenen Löcher. Loch und Elektron bilden daraufhin Paare, die sich wie ein neues, eigenständiges Teilchen verhalten. Diese durch Anregung gebildeten Quasiteilchen – sogenannte Exzitonen - spielen eine Schlüsselrolle für die Stromerzeugung durch Photovoltaik und das Verhalten optoelektronischer Materialien.
Wellenfunktion: Entscheidend, aber schwer fassbar
Doch ein entscheidendes Merkmal der Exzitonen blieb bisher verborgen: ihre Wellenfunktion. Dieser quantenphysikalische Zustand beschreibt unter anderem die Ausdehnung, Wellenphase und interne Struktur dieser Quasiteilchen und prägt ihr Verhalten: „Die Wellenfunktion der Exitzonen bestimmt ihre Kopplung, Loslösung und Wanderung im Molekülgitter und spielt somit eine zentrale Rolle“, erklären Marcel Theilen von der Universität Marburg und seine Kollegen. Doch diese Wellenfunktion zu messen oder abzubilden, war bislang unmöglich.
Das hat sich nun geändert: „Es ist uns erstmals gelungen, die räumliche Ausdehnung und zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion eines Exzitons in den ersten Augenblicken seiner Existenz experimentell zu rekonstruieren“, berichtet Seniorautor Peter Puschnig von der Universität Graz. Die von ihnen entwickelte Methode erlaubt es damit zum ersten Mal, den inneren Zustand dieser so wichtigen Quasiteilchen zu untersuchen.
Bei der zeitaufgelösten Photoemission Orbital Tomography erzeugt ein Pump-Laserpuls (blau) ein gebundenes Elektron-Loch-Paar (Exziton) im organischen Halbleitermaterial Alpha-Sexithiophen. Der nachfolgende UV-Laserpuls schießt ein Elektron aus dem Exziton, dessen Energie und Richtung gemessen wird. — © Andreas Windischbacher/ Universität Graz
