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Rydberg-Exzitonen - "riesige" Quantenzustände im Halbleiter

Absorptionsspektrum in Kupferoxydul. Deutlich erkennbar ist die Verschiebung der Bandkante (rote Pfeile) mit wachsender Anregungsleistung (und damit wachsender Ladungsträgerdichte) sowie das sukzessive Verschwinden der Exzitonlinien im Kontinuum.

Rydberg-Exzitonen im Vielteilchensystem Festkörper theoretisch zu beschreiben, ist das Ziel eines Forschungsprojekts, das Dr. habil. Dirk Semkat, AG Fehske - Komplexe Quantensysteme, erfolgreich bei der DFG einwerben konnte.

Bereits seit langem sind Rydberg-Atome Gegenstand physikalischer Forschung - Atome, deren äußerstes Elektron eine sehr hohe Hauptquantenzahl n hat, so dass seine "Bahn" einen Radius von einigen Mikrometern aufweisen kann. Seit wenigen Jahren können derart exotische Zustände auch im Festkörper erzeugt werden [1]. Das Analogon hier sind die Rydberg-Exzitonen - durch Laseranregung entstehen gebundene Zustände aus Leitungsband-Elektron und Valenzband-Loch mit großen Quantenzahlen. Für die Untersuchung dieser Objekte bietet die Festkörperumgebung zum einen unbestreitbare Vorteile, zum anderen aber stellt sie die theoretische Beschreibung vor entscheidende Herausforderungen. Ein besonders interessanter Aspekt ist die Beeinflussung der Exzitonzustände durch freie Ladungsträger, das sogenannte Elektron-Loch-Plasma. Hier konnte kürzlich gezeigt werden [2], dass bereits bei extrem niedrigen Plasmadichten von weniger als einem hundertstel Elektron-Loch-Paar pro Kubikmikrometer drastische Effekte auftreten. Beispielsweise verschwinden, beginnend mit den höchsten nachgewiesenen Zuständen [1] von n=25, die Exitonlinien sukzessive in der Bandabsorption, so dass der für den Grundzustand gut bekannte Mott-Effekt hier erstmals für Rydberg-Exzitonen nachgewiesen werden konnte.

Die DFG fördert die theoretische Beschreibung dieser Objekte über eine Postdoktoranden-Stelle für 3 Jahre, insbesondere auch um die an den Universitäten Dortmund und Rostock durchgeführten experimentellen Untersuchungen zu unterstützen.

[1] T. Kazimierczuk, D. Fröhlich, S. Scheel, H. Stolz, and M. Bayer, Nature 514, 343 (2014).
[2] J. Heckötter, M. Freitag, D. Fröhlich, M. Aßmann, M. Bayer, P. Grünwald, F. Schöne, D. Semkat, H. Stolz, S. Scheel, arXiv:1709.00891.


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