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Leuchtende Ringe auf Halbleitern

Muster von zerfallenden Exzitonen gesteuert

Von Rainer Scharf

Die Halbleiterphysik hat nicht nur die moderne Computertechnik ermöglicht. Sie hat auch zahlreiche Materialien geschaffen, die sich durch ungewöhnliche elektrische und optische Eigenschaften auszeichnen. In manchen dieser Materialien, die aus einem Stapel dünner Halbleiterschichten bestehen, bewegen sich die positiven und die negativen elektrischen Ladungsträger in getrennten Ebenen. In solchen Halbleitern lassen sich mit Laserlicht ungewöhnliche Lichtmuster erzeugen, die von physikalischen Prozessen in ihrem Inneren gesteuert werden. Das haben jetzt zwei Forschergruppen in den Vereinigten Staaten beobachtet.

Während David Snoke von der University of Pittsburgh und seine Kollegen Indiumgalliumarsenid für ihre Experimente benutzten, haben die Forscher um Daniel Chemla vom Lawrence Berkeley Laboratory in Kalifornien Aluminiumgalliumarsenid verwendet. Aus diesen Materialien fertigten die Wissenschaftler mit hoher Präzision Stapel von dünnen Schichten, die sich durch ihren Gehalt an Indium beziehungsweise Aluminium voneinander unterschieden. Anschließend legten sie zwischen Ober- und Unterseite des Schichtstapels eine elektrische Spannung an und bestrahlten dessen Oberseite mit intensivem rotem Laserlicht.

Wie die beiden Forschergruppen in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift "Nature" (Bd. 418, S. 754 und 751) berichten, haben sie auf der Oberseite des geschichteten Halbleiters einen leuchtenden Ring beobachtet, der den vom Laser verursachten Lichtfleck umgab. Erhöhten sie die Intensität des Laserlichts, so vergrößerte sich der leuchtende Ring und erreichte schließlich einen Durchmesser von nahezu zwei Millimetern. Die kalifornischen Wissenschaftler konnten bei hinreichend intensiver Beleuchtung beobachten, wie der Ring in viele kleine Lichtpunkte aufbrach, die den Lichtfleck des Lasers wie ein Kranz umgaben.

Hinter diesen kuriosen optischen Erscheinungen stecken bemerkenswerte physikalische Vorgänge. Trifft das Laserlicht auf den Schichtstapel, so löst es von den Halbleiteratomen zahlreiche negativ geladene Elektronen ab, die sich in einer der Schichten sammeln. Die zurückbleibenden positiv geladenen Fehlstellen oder "Löcher" wandern hingegen zu einer anderen, benachbarten Schicht. Obwohl sich die Elektronen und die Löcher in sicherem Abstand voneinander befinden, spüren sie die zwischen ihnen herrschende elektrische Anziehungskraft. Diese Kraft bindet jeweils ein Elektron an eines der Löcher, so wie in einem Wasserstoffatom ein Elektron an den Atomkern gebunden ist. Diese Paare aus Elektronen und Löchern, die wegen ihrer quantenphysikalischen Eigenschaften von besonderer Bedeutung sind, nennt man Exzitonen.

Die Exzitonen stoßen einander ab. Da das Laserlicht fortlaufend neue Exzitonen erzeugt, strömen diese Gebilde radial vom Lichtfleck des Lasers fort. Dabei erreichen sie extrem hohe Geschwindigkeiten. Sind sie weit genug vom Laserlicht entfernt, kommen sie zur Ruhe. Obwohl Elektronen und Löcher normalerweise voneinander getrennt sind, kann ein Elektron zufällig in die löcherhaltige Schicht geraten und sich dabei "seinem" Loch nähern. Doch erst wenn ein Exziton zur Ruhe gekommen ist, kann sein Elektron in das dazugehörige Loch fallen und dabei Licht abstrahlen. Auf diese Weise läßt sich der Lichtring erklären, den die Wissenschaftler beobachtet haben. Das Aufbrechen des Lichtrings in viele kleine Punkte führen die kalifornischen Forscher darauf zurück, daß sich im kontinuierlichen Strom der Exzitonen Wirbel bilden können. Im Zentrum eines zur Ruhe gekommenen Wirbels sollte dann ein Lichtpunkt sichtbar werden.

Da die Exzitonen überraschend langlebig sind und vergleichsweise große Entfernungen zurücklegen, bevor sie strahlend zerfallen, könnte man sie vielleicht in neuartigen elektronischen Schaltungen verwenden. Dabei lassen sich möglicherweise auch ihre ungewöhnlichen quantenmechanischen Eigenschaften nutzen. Exzitonen sind sogenannte bosonische Teilchen, die bei tiefen Temperaturen ein Bose-Einstein-Kondensat bilden können. In diesem Zustand schwingen die Materiewellen der Exzitonen im Gleichtakt, und es entsteht gewissermaßen ein Superexziton. Man darf gespannt sein, wie solch ein Teilchen bei seinem Zerfall leuchtet. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 16.08.2002, Nr. 189 / Seite 32

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