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Arbeitsgruppe Theoretische Halbleiterphysik

 Forschungsprojekte

 

2. TERAHERTZ-SPEKTROSKOPIE VON HALBLEITERN

Terahertz-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarot- und Mikrowellen-Strahlung, sie ist also mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar. Lange Zeit standen keine leistungsfähigen Sender und Empfänger im Wellenlängenbereich der Terahertz-Strahlung zur Verfügung. Erst in den letzten Jahren gab es eine rasante Entwicklung der Terahertz-Technologie, die schon jetzt vielfältige Anwendungen hervorbringt. Besondere Erwähnung verdient die so genannte Terahertz-Spektroskopie: Dies ist eine Analysemethode, bei der man ausnutzt, dass viele Materialien mit elektromagnetischer Strahlung besonders effektiv im Terahertz-Bereich wechselwirken. Mit Hilfe dieser Methode kann z. B. die Zusammensetzung organischer Stoffe und biologischer Systeme effizienter als bisher analysiert werden oder in der Medizin z. B. die Schwere von Verbrennungen diagnostiziert werden.

Vor einigen Jahren haben wir vorgeschlagen, die Terahertz-Spektroskopie zur Untersuchung so genannter Exzitonen in Halbleitern einzusetzen, um u. a. zu untersuchen, wie Lichterzeugung in Halbleiter-Dioden genau funktioniert. [siehe z. B. den Übersichtsartikel "Semiconductor Excitons in New Light", Nature Materials 5, 523 (2006)]. Unsere theoretischen Untersuchungen zeigten, dass Terahertz-Strahlung es erlaubt, diese Exzitonen gewissermaßen "direkt" zu beobachten, was mit herkömmlichen Methoden nicht möglich war. Dies wurde inzwischen von Experimenten bestätigt. Darüber hinaus eignet sich Terahertz-Spektroskopie ganz besonders zum Nachweis und zur Analyse korrelierter Vielteilchenzustände in Halbleitern. Im Rahmen unserer laufenden Untersuchungen beschäftigen wir uns u. a. mit dem Nachweis der kollektiven Anregungen im zweidimensionalen Elektronengas (Plasmonen), mit der Bildungs- und Zerfallsdynamik exzitonischer Zustände unter sehr verschiedenen Bedingungen sowie mit nichtlinearen Terahertz-Effekten.

Aktuelle Forschungsergebnisse

In dem Artikel "Interaction of Strong Single-Cycle Terahertz-Pulses with Semiconductor Quantum Wells", [Physical Review Letters 99, 237401 (2007)] zeigen wir, dass sich Terahertz-Strahlung nicht nur zur Beobachtung von Exzitonen, sondern auch zu deren Manipulation einsetzen lässt. Wir führen mikroskopische Rechnungen durch und vergleichen die numerischen Ergebnisse mit einem Experiment, das von Prof. Dr. Yun-Shik Lee von der amerikanischen University of Oregon in Corvallis durchgeführt wurde.

Als Exziton (von engl. "excitation" – "Anregung", da sie erst nach Anregung durch bestimmtes Laserlicht entstehen) bezeichnet man die Kombination von einem negativ geladenen Elektron und einem positiv geladenen "Loch", die aufgrund der anziehenden Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Ladungen ein gebundenes Paar bilden. Ein solches Exziton verhält sich im Prinzip wie ein Wasserstoffatom, bei dem ein negativ geladenes Elektron von einem positiv geladenen Kern angezogen wird. Wie beim Wasserstoffatom darf die Energie des Exzitons unterschiedliche, aber nur ganz bestimmte Werte annehmen. Befindet sich das Elektron sozusagen auf der ersten Schale (also nahe am Loch), so hat es eine niedrige Energie; auf der zweiten entsprechend eine höhere usw. Die Energie, die nötig ist um ein Elektron in eine höhere Schale anzuheben (man spricht von einem "Übergang") liegt gerade im Terahertz-Bereich.

Die Tatsache, dass Terahertz-Strahlung auf diese Exzitonen-Übergänge "abgestimmt" ist, lässt sich ausnutzen, um Exzitonen mit schwachen Terahertz-Lichtpulsen nachzuweisen und deren Verhalten zu beobachten. In dem untersuchten Experiment wurden nun aber starke, extrem kurze Terahertz-Lichtpulse eingesetzt, deren hohe Intensität ausreicht, solche Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus (gezielt) zu verursachen. Diese Vorgänge äußern sich im Experiment indirekt in einer messbaren Veränderung der optischen Eigenschaften des Halbleiter-Materials. Durch die theoretische Modellierung des Experimentes ist es gelungen, die Ergebnisse der Messung genau zu reproduzieren und – unter anderem – solchen Exzitonen-Übergängen zuzuordnen (Bemerkenswert am Experiment ist auch, dass die Messungen "zeitaufgelöst" erfolgen, d. h. die Prozesse können auf extrem kurzer Zeitskala und daher sehr detailliert verfolgt werden.)

Bisherige Anwendungen der Terahertz-Technologie, wie die oben genannte Terahertz-Spektroskopie, verwenden Strahlung geringer Intensität, die ausreicht um bestimmte Materialien zu "scannen" aber nicht um deren Eigenschaften zu verändern. Es sind aber auch verschiedene Anwendungen für die Verwendung starker Terahertz-Strahlung denkbar, z. B. in der Informationstechnologie: Gelänge es, die Übergänge in einem System mit zwei Energieniveaus mit Terahertz-Licht gezielt und sicher zu steuern, so könnten solche Exzitonen-Übergänge als so genannte Qubits theoretisch in einem Quantencomputer verwendet werden. Gerade im Hinblick auf solche Anwendungsmöglichkeiten ist ein besseres Verständnis der grundlegenden Wechselwirkungsprozesse wünschenswert.

 

Zuletzt aktualisiert: 14.04.2010 · Schmid Renate, Physik, 21337

 
 
 
Fb. 13 - Physik

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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