Exzitonen sind Quasiteilchen, die unter anderem entstehen, wenn Strahlung auf ein halbleitendes Material trifft. Die Photonen des Lichts regen Elektronen im Material an, die dadurch ihre ursprüngliche Position verlassen. Zurück bleibt ein positiv geladenes „Loch“ im Kristallgitter. Dieses zieht das „entflohene“ Elektron wieder an und bildet mit ihm eine Art Paar. Weil sich diese Paare aus Elektron und Loch wie ein neues, eigenständiges Teilchen verhalten, werden sie als Quasiteilchen bezeichnet. Die Besonderheit der Exzitonen besteht darin, dass sie die Energie des ursprünglich anregenden Lichts speichern und durch ihre Beweglichkeit auch innerhalb des Materials transportieren können, ohne dass gleichzeitig ein Ladungstransport stattfindet – denn zusammen sind Loch und Elektron elektrisch neutral. Wenn sich die Exzitonen auflösen, geben sie die Energie als Licht wieder ab. „Exzitonen sind gerade für optische Eigenschaften von Nanomaterialien extrem wichtig“, erklärt Co-Erstautor Florian Dirnberger von der TU München. Üblicherweise findet man Exzitonen in nicht-magnetischen Halbleitern, denn Magnete sind meistens metallisch und können daher keine stabilen Exzitonen ausbilden.
Quasiteilchen im geschichteten Halbleiter
Doch inzwischen kennen Physiker einige Materialien, die trotz magnetischer Eigenschaften Exzitonen bilden. Möglich wird dies unter anderem bei Antiferromagneten, die aus Schichten mit entgegensetzt gepolten Atomspins bestehen. „Erst in den letzten vier Jahren hat die Materialphysik entdeckt, welches Potenzial die Quasiteilchen haben, wenn sie in magnetischen Kristallen gezielt erzeugt werden“, sagt Dirnberger. „Dann können die Exzitonen zusätzlich zur Energie auch Informationen speichern und transportieren, diese aber auch als Licht wieder abgeben. Die Erforschung der exotischen Quasiteilchen steht zwar noch am Anfang, könnte aber künftig die Basis für neuartige Technologien sein, die Photonik und Magnetismus verbinden.“ Als besonders vielversprechend erweisen sich dabei antiferromagnetische Halbleitermaterialien, die aus vielen ultradünnen, nur lose über Van-der-Waals-Kräfte untereinander gebundenen Lagen bestehen. „Solche Van-der-Waals-Materialien kristallisieren in Schichtstrukturen mit nur schwachen Bindungen zwischen den Lagen“, erklären die Physiker. „Dadurch zeigen sie bemerkenswerte physikalische Eigenschaften.“ Jede Einzelschicht verhält sich in einem solchen Material fast, als wäre sie ein isoliertes 2D-Material.
Für ihre Studie haben Dirnberger und seine Kollegen den antiferromagnetischen Quantenhalbleiter Chromium-Sulfid-Bromid (CrSBr) näher untersucht. Von diesem war zuvor schon bekannt, dass in seinem Inneren bei Bestrahlung Exzitonen entstehen können. „Diese Exzitonen im CrSBr zeigen große Oszillatorstärken”, berichten die Physiker. Das bedeutet, dass diese Quasiteilchen stark mit einfallendem Licht interagieren und viel von seiner Energie aufnehmen können. Unbekannt war jedoch, ob das Halbleitermaterial auch auf seiner Oberfläche Exzitonen bilden kann. Das haben Dirnberger und sein Team nun untersucht. Dafür züchteten sie hauchdünne, aber vielschichtige Chromium-Sulfid-Bromid-Kristalle, kühlten sie bis auf fünf Kelvin herunter und analysierten die nach Anregung mit Licht vom Material ausgehende Strahlung mit speziellen Spektrometern. „Weil die Oberflächen-Exzitonen das Licht mit einer etwas anderen Farbe reflektieren und abgeben als die Quasiteilchen im Inneren des Materials, konnten wir sie gezielt ansteuern“, erklärt Seniorautor Alexey Chernikov vom Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat.
