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Arbeitsgruppe Theoretische Halbleiterphysik

 Forschungsprojekte

1. HALBLEITERQUANTENOPTIK

Die Halbleiter-Quantenoptik ist ein innovatives, neues Arbeitsgebiet an der Schnittstelle zwischen Halbleiterphysik und Quantenoptik [eine kleine Übersicht findet man z. B. in unserem Artikel "Quantenoptik in Halbleitern", Physik Journal 7 (2008), Nr. 6, Seite 37]. Im Gegensatz zu der traditionellen Quantenoptik verdünnter atomarer Gase hat man es bei Halbleitern in der Regel mit einem komplizierten Vielteilchensystem zu tun, das von der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Ladungsträgern bestimmt wird. In unserer Arbeitsgruppe kombinieren wir quantenoptische und festkörpertheoretische Methoden mit dem Ziel der konsistenten mikroskopischen Beschreibung der Licht-Materie- und der Vielteilchen-Wechselwirkungseffekte in niederdimensionalen Halbleiter-Nanostrukturen. Neben der systematischen Theorieentwicklung interessieren wir uns besonders für diejenigen Phänomene, zu deren Verständnis die semiklassische Näherung, d. h. die quantenmechanische Beschreibung der Materialanregungen unter dem Einfluss eines klassischen Lichtfeldes, nicht ausreicht. Eine Zusammenfassung der verwendeten Theorien finden sich in dem LehrbuchSemiconductor Quantum Optics, (Kira/Koch, Cambridge University Press,  2011).

 

Aktuelle Forschungsergebnisse


Unter geeigneten Bedingungen entstehen in
Halbleitern Tröpfchen aus Elektronen und positiv
geladenen Fehlstellen, wie sich durch Laser-
spektroskopie nachweisen lässt.
(Abbildung: Autoren)
Außergewöhnliche Entdeckungen erfordern außergewöhnliche Erklärungen: Einfallsreichtum war gefragt, als die Physiker Martin Mootz, Professor Dr. Mackillo Kira und Professor Dr. Stephan W. Koch von der Philipps-Universität mit den 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“, erklärt Kira.

Die amerikanischen Partner um Professor 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“, führt Kira aus. „Physikalisch lassen sich Quantentröpfchen als eine Art Blase im umgebenden dichten Plasma  beschreiben“, ergänzt Koautor Stephan W. Koch.

Die Lebensdauer der Quasiteilchen beträgt nur etwa 25 billionstel Sekunden. „Das reicht aber, um sie künftig noch genauer zu erforschen“, sagt Mitverfasser Martin Mootz, der seine Doktorarbeit in der Marburger Arbeitsgruppe für Theoretische Halbleiterphysik anfertigt.

Professor Dr. Stephan W. Koch und Professor Dr. Mackillo Kira lehren Theoretische Halbleiterphysik an der Philipps-Universität. Erst vor drei Jahren legten sie einen neuen Theorierahmen für die Quanten-Laserspektroskopie vor. Die Arbeiten an der aktuellen Publikation wurden unter anderem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die Alexander-von-Humboldt-Stiftung gefördert.

Originalveröffentlichung: A. E. Almand-Hunter & al.: Quantum droplets of electrons and holes, Nature 506, 27. Februar 2014, 471–475, DOI: 10.1038/nature12994

 


Zuletzt aktualisiert: 28.07.2014 · Schmid Renate, Physik, 21337

 
 
 
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AG Theoretische Halbleiterphysik - Sekretariat: R. Schmid, Renthof 5, D-35032 Marburg
Tel. +49 6421-28-21337, Fax +49 6421-28-27076, E-Mail: renate.schmid@physik.uni-marburg.de

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