Flüchtige Dreiecksbeziehung

Physiker aus Marburg und den USA haben mittels Laserlicht ein neuartiges Halbleitersystem erforscht und dabei erstmals energetische Zustände erzeugt, die bisher nur aus der Atomphysik bekannt waren. Die Wissenschaftler um Professor Dr. Stephan Koch von der Philipps-Universität berichten über ihre Ergebnisse vorab in der Online-Ausgabe der angesehenen Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

„Die gezielte Anwendung von Terahertz-Strahlung gehört zu den jüngsten Entwicklungen der Laserphysik und hat in den letzten Jahren auf vielen Gebieten neue Einsichten ermöglicht“, konstatiert Koch, der als Seniorautor der Publikation firmiert. Terahertz-Strahlung wird zum Beispiel in sogenannten Nacktscannern verwendet, mit deren Hilfe man nicht nur unter Kleidung versteckte Waffen erkennen kann, sondern auch Fremdkörper in Schokolade, die Festigkeit von Sperrholz oder alte Meisterwerke unter jahrhundertealtem Kirchenverputz.

Dank der Grätsche eine Stufe höher: Links sieht man die Lambda-Form des untersuchten Systems, bestehend aus zwei energetisch niedrigeren Niveaus (blau) und einem höheren Niveau (schwarz); das ursprüngliche Energieniveau ist gestrichelt eingezeichnet. Die möglichen Übergänge im Terahertzbereich folgen den orange gezeichneten Pfeilen. Rechts sieht man das Bild einer Messung des reflektierten Lichtes (Streak Camera Messung), auf dem man beide neuen Niveaus (in blau) erkennt sowie das Ausbleichen des unteren Niveaus durch den Einfluss der zusätzlichen Terahertz-Strahlung. (Illustration: Andrea Klettke/Philipps-Universität Marburg)

Doch nicht nur in der Industrie findet Terahertz-Strahlung vielfältige Anwendungen, sondern auch in der Grundlagenforschung, wie Koch deutlich macht: „Mit Hilfe von Terahertz-Spektroskopie lassen sich optische Anregungen in Halbleitermaterialien direkt beobachten und verändern; sie liefern damit völlig neue Einblicke in die elektronische Struktur von Halbleitern.“

Das Forscherteam führte seine Untersuchungen an sehr dünnen Schichten aus Gallium und Arsen aus, sogenannten Quantenfilmen, die sich zwischen hocheffizienten Spiegeln befinden – die Wissenschaftler sprechen von einer „Kavität“. „Durch die Anordnung der Spiegel bilden sich zwei anstatt einer Hauptabsorptionsfrequenz der Quantenfilme“, erläutert Koch. Vergleichbar ist dies mit zwei identisch gebauten Federpendeln: Schwingen beide unabhängig voneinander, pendeln sich beide auf die gleich Schwingfrequenz ein, die man Resonanzfrequenz nennt.

Verbindet man beide Pendel hingegen, zum Beispiel mit einer Feder, so bilden sich zwei neue Resonanzfrequenzen aus. In Quantenfilmen spricht man hier von exzitonischen Eigenzuständen, die durch die Spiegel in zwei neue aufgespalten werden. Diese neuen Zustände wurden von den Forschern optisch angeregt, um dann durch Anregung mit Terahertz-Strahlung in einen dritten energetischen Zustand gehoben zu werden.

„Da direkte Übergänge zwischen den beiden neuen Resonanzen physikalisch nicht erlaubt sind, bilden diese drei Zustände ein Lambda-System“, führt Koch aus; der Name leitet sich von der Form des griechischen Buchstaben Lambda Λ ab und illustriert die energetische Position der drei Zustände und deren erlaubte Übergänge. „Diese Art von Systemen war bisher nur aus der Atomphysik bekannt“, erklärt  Mitautorin Andrea Klettke; „das von uns erforschte stellt eine völlig neuartige Realisation eines Lambda-Systems dar, da die unteren Zustände erst durch die Wechselwirkung des Laserlichts entstehen und nach wenigen Sekundenbruchteilen bereits wieder zerfallen.“

Die experimentelle Umsetzung gelang der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Yun-Shik Lee an der Oregon State University in den USA; die Ergebnisse wurden von den Marburger Physikern Professor Dr. Stephan W. Koch, Professor Dr. Mackillo Kira und Andrea Klettke analysiert. Hierbei konnten die vermuteten Eigenschaften des Lambda-Systems auch theoretisch bestätigt werden.

Originalveröffentlichung: J. L. Tomaino & al.: „Terahertz Excitation of a Coherent Λ-Type Three-Level System of Exciton-Polariton Modes in a Quantum-Well Microcavoty“, Phys. Rev. Lett. 108, Seite 267402 (2012),
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.267402

Weitere Informationen:

Ansprechpartner: Professor Dr. Stephan Koch,
Theoretische Halbleiterphysik
Tel.: 06421 28-21336
E-Mail: stephan.w.koch@physik.uni-marburg.de

Hintergrundartikel zum Thema :

Theorierahmen für Quantenspektroskopie: http://www.uni-marburg.de/aktuelles/news/2011/0918a

Resonanzen in der Terahertz-Strahlung: http://www.uni-marburg.de/aktuelles/news/2009a/0330a

Halbleiter unter Terahertz-Strahlung: http://www.uni-marburg.de/aktuelles/news/2007/1207o