26.02.2014 (fjh)
Ein neuartiges "Quasiteilchen" haben Physiker aus Marburg und den Vereinigten Staaten von Amerika (USA) identifiziert. Es entsteht, wenn Halbleiter mit Laserlicht bestrahlt werden.
Wie das Forscherteam in der Titelgeschichte der aktuellen Ausgabe von "Nature" schreibt, verhält sich das Quasiteilchen wie ein Flüssigkeitstropfen mit quantenphysikalischen Eigenschaften. Die Autoren bezeichnen ihre Entdeckung daher als "Quantentröpfchen" oder "Dropleton".
Außergewöhnliche Entdeckungen erfordern außergewöhnliche Erklärungen: Einfallsreichtum war gefragt, als die Physiker Martin Mootz, Prof. Dr. Mackillo Kira und Prof. Dr. Stephan W. Koch von der Philipps-Universität mit unerklärlichen Versuchsergebnissen ihrer Kollegen an der Universität von Colorado konfrontiert waren.
"Wir konnten eine bislang unbekannte, stabile Konfiguration in einem Vielteilchensystem identifizieren, indem wir ein neuartiges theoretisches Konzept anwendeten", erklärte Kira. Die amerikanischen Partner um Prof. Dr. Steven Cundiff hatten Laserlicht verwendet, um eine Halbleiter-Verbindung aus Gallium und Arsen zu bestrahlen. Im Halbleiter befinden sich danach freie Elektronen und Löcher, an denen derartige Elektronen fehlen.
Eine solche Fehlstelle verhält sich wie eine positive Ladung. Zusammen mit dem negativ geladenen Elektron kann sie ein Quasiteilchen bilden, das einem Wasserstoffatom entspricht.
Die Experimente zeigten Effekte, die nicht zu den bislang bekannten Quasiteilchen passen: Die neu entdeckten Dropletons verhalten sich wie Flüssigkeiten, sind aber so klein, dass sie quantenphysikalische Eigenschaften aufweisen wie ein Atom.
"Quantentröpfchen bestehen aus wenigen Paaren von Elektronen und Löchern – je vier, fünf oder sechs davon", führte Kira aus. "Physikalisch lassen sich Quantentröpfchen als eine Art Blase im umgebenden dichten Plasma beschreiben", ergänzte Koautor Koch.
Die Lebensdauer der Quasiteilchen beträgt nur etwa 25 billionstel Sekunden. "Das reicht aber, um sie künftig noch genauer zu erforschen", sagte Mitverfasser Mootz, der seine Doktorarbeit in der Marburger Arbeitsgruppe für Theoretische Halbleiterphysik anfertigt.
Koch und Kira lehren Theoretische Halbleiterphysik an der Philipps-Universität. Erst vor drei Jahren legten sie einen neuen Theorierahmen für die Quanten-Laserspektroskopie vor.
pm: Philipps-Universität Marburg
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