Durchbruch in der Quantenforschung: Leuchtende Quasiteilchen entdeckt!

Würzburg, Deutschland - Ein Forschungsteam des Exzellenzclusters ct.qmat hat einen bedeutenden Fortschritt in der Untersuchung optischer Quasiteilchen erzielt. Erstmals wurden im antiferromagnetischen Quantenmaterial Chromium-Sulfid-Bromid (CrSBr) optische Quasiteilchen, auch bekannt als Exzitonen, nachgewiesen. Diese Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht. Die Leitung des Teams lag bei Prof. Alexey Chernikov, der sich auf ultraschnelle Mikroskopie spezialisiert hat.

Exzitonen entstehen, wenn ein Lichtimpuls ein Elektron anregt und ein positiver „Loch“ hinterlassen wird. Diese Quasiteilchen sind von zentraler Bedeutung für die Lichtaufnahme, die Abstrahlung sowie die Energie- und Quanteninformationsleitung. Üblicherweise werden Exzitonen in nicht-magnetischen Materialien gefunden; jedoch bietet das neu entdeckte CrSBr mit seinen kombinierten magnetischen und halbleitenden Eigenschaften ein neuartiges Umfeld für ihre Untersuchung. Die schwache van-der-Waals-Bindung zwischen den Kristallschichten ermöglicht zudem die Herstellung ultradünner Schichten.

Besondere Eigenschaften von CrSBr

Die magnetischen Momente der Schichten im CrSBr sind bei tiefen Temperaturen entgegengesetzt ausgerichtet. Diese magnetische Ordnung beeinflusst die Struktur der Exzitonen, was ihre Manipulation durch externe magnetische Felder ermöglicht. Mithilfe optischer Methoden konnten die Exzitonen in einzelnen Atomlagen sichtbar gemacht werden, wobei sie auf der Oberfläche des Materials Licht in einer anderen Farbe reflektieren als im Inneren. Die Forscher erzielten reproduzierbare Ergebnisse aus verschiedenen Proben und Messapparaturen, sowohl in Dresden als auch in New York.

Die Ergebnisse zeigen, dass Exzitonen Lichtenergie speichern können und sich durch das Material bewegen, wobei sie Energie als Licht abgeben, wenn sie sich auflösen. Diese Entdeckung birgt ein großes Potenzial für die Entwicklung optischer Eigenschaften von Nanomaterialien, die in zukünftigen Technologien zur Speicherung und zum Transport von Informationen eingesetzt werden könnten.

Quantenphänomene und zukünftige Anwendungen

Zusätzlich zu dieser Entdeckung haben Wissenschaftler:innen des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat ein ungewöhnliches Quantenphänomen aufgezeigt, bei dem Exzitonen in atomar-dünnen Halbleitern sich gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Diese Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Prof. Chernikov und sein Team haben dieses Verhalten mittels ultraschneller Mikroskopie bei extrem niedrigen Temperaturen sichtbar gemacht.

In atomar-dünnen Schichten sind Exzitonen stabil von etwa -268 °C bis Raumtemperatur. Diese Entdeckungen legen den Grundstein für potenzielle Anwendungen in neuartigen Laserquellen, Lichtsensoren und Solarzellen sowie als Bausteine für Quantencomputer. Die theoretische Arbeit von Mikhail M. Glazov beschreibt zudem, wie Exzitonen auf ringartigen Bahnen agieren, ein Phänomen, das in der klassischen Physik nicht vorkommt.

Die Rolle des Exzellenzclusters ct.qmat

Der Exzellenzcluster ct.qmat, der seit 2019 von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der TU Dresden getragen wird, vereint über 300 Forscher:innen aus mehr als 30 Ländern. Die internationale Zusammenarbeit umfasst Wissenschafter:innen aus den USA, Großbritannien, den Niederlanden und Tschechien. Das Hauptziel des Clusters ist die Erforschung topologischer Quantenmaterialien unter extremen Bedingungen, unterstützt durch die Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder. Diese Forschung befindet sich noch am Anfang und verspricht aufregende Perspektiven für die Quantenforschung.

Im Rahmen des ct.qmat wurde zudem die erste Erzeugung von Exzitonen in einem topologischen Isolator realisiert. Dieses Forschungsergebnis eröffnet neue Möglichkeiten für lichtgesteuerte Computerchips und Quantentechnologien, was in der Zeitschrift Nature Communications festgehalten wurde. Exzitonen könnten als Informationsträger für lichtgesteuerte Bauelemente genutzt werden, während die Wechselwirkungen zwischen Licht und Exzitonen eine neue Dimension der Quantencomputerarchitektur eröffnen.