Gebilde aus Elektronen und Löchern
Eine bisher unbekannte Variante eines solchen Quasiteilchens haben nun Forscher des Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) in Boulder entdeckt, als sie mit einem Gallium-Arsenid-Halbleiter experimentierten. Sie bestrahlten diesen mit einem ultraschnellen roten Laser, der 100 Millionen Pulse pro Sekunde aussendet. Diese Pulse erzeugen im Halbleiter kurzlebige Exzitonen, so viel war bereits bekannt. Jetzt aber zeigte sich, dass diese Exzitonen sich bei steigender Laserintensität zu einem ganz neuen Quasiteilchen zusammenfinden: Die Elektronen gruppieren sich mit den Löchern zu einem neuen, tropfenähnlichen Gebilde. “Diese Quantentröpfchen bestehen aus wenigen Paaren von Elektronen und Löchern – je vier, fünf oder sechs davon”, erklärt Koautor Mackillo Kira von der Philipps-Universität Marburg.
Die Besonderheit dieser Neuentdeckung: Die Quasiteilchen verhalten sich in mancher Hinsicht wie eine Flüssigkeit: Sie können beispielsweise Rippel ausbilden und auch die Art, wie die Elektronen und Löcher in ihnen miteinander verknüpft sind, die sogenannte Paar-Korrelation, ähnelt der in einem Flüssigkeitstropfen, wie die Forscher berichten. Gleichzeitig aber sind die Tropfen so klein, dass sie quantenphysikalische Eigenschaften aufweisen wie ein Atom. Kira und seine Kollegen schlagen daher als Name für das neue Quasiteilchen “Dropleton” vor – Tropfenteilchen.
“Was die praktischen Anwendungen angeht: Niemand wird nun hergehen und ein Quantentropfen-Widget konstruieren”, betont der JILA-Physiker Steven Cundiff. Dafür ist die Lebensdauer der Dropletons von nur 25 billionstel Sekunden auch viel zu gering. Aber das neue Quasiteilchen könnte indirekt zu Verbesserungen beispielsweise von optoelektronischen Geräten beitragen, wie die Forscher erklären. Denn für ein Quasiteilchen sind 25 Picosekunden eine relativ lange Lebensdauer – und diese reicht aus, um an ihnen die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie genauer zu erforschen. “Damit verbessern wir unser Verständnis darüber, wie Elektronen in verschiedenen Situationen interagieren – auch in optoelektrischen Bauteilen”, sagt Cundiff.
