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Astronomie|Physik Technik|Digitales

Forscher bestimmen Ausdehnung eines Elektron-Loch-Paares

Japanische Wissenschaftler haben erstmals die Größe eines einzelnen Elektron-Loch-Paares in einem kleinen Halbleiterkristall direkt bestimmt. Dazu regten sie das Paar mit Lichtpulsen, die durch eine winzige Glasfaser geleitet wurden, zur Emission von Licht an. Durch Bewegung der Glasfaser über den Halbleiterkristall konnte so die quantenmechanische „Verschmiertheit“ der Elektron-Loch-Einheit untersucht werden. Das berichten die Forscher im Fachblatt Physical Review Letters (Bd. 91, Artikel 177401).

Kazunari Matsuda von der Kanagawa Akademie für Naturwissenschaften und Technologie und seine Kollegen untersuchten in ihrer Arbeit einen in der Fachwelt als Quantenpunkt bezeichneten, nur 100 Nanometer Durchmesser aufweisenden Halbleiterkristall mittels einer Variante der Nahfeldmikroskopie. Diese Technik erlaubt die optische Untersuchung von Objekten mit einem Durchmesser, der viel kleiner als die Wellenlänge des zur Untersuchung verwendeten Lichts ist und damit unter der klassischen Beugungsgrenze der Optik liegt.

Als Lichtquelle diente den Forschern eine Glasfaser, deren Spitze einen Durchmesser von nur zwanzig Nanometern aufwies. Mittels kurzer Lichtblitze konnten die Elektronen des Quantenpunkts in einen angeregten Energiezustand versetzt werden. Dadurch bildeten sich in dem Quantenpunkt Elektronenfehlstellen oder so genannte Löcher aus, die wie positive Elementarladungen wirken. Diese Löcher können die angeregten Elektronen anziehen und einen gebundenen Zustand mit diesen eingehen ? ganz so wie das Proton und das Elektron eines Wasserstoffatoms.

Die Lebensdauer eines Elektron-Loch-Paares oder Exzitons beträgt im Gegensatz zu einem Wasserstoffatom allerdings nur wenige Sekundenbruchteile. Das Elektron des Paares verliert dann seine Energie durch die Aussendung eines einzelnen Lichtteilchens oder Photons. Matsuda und sein Team fingen in ihrer Arbeit genau dieses von dem Exziton ausgehende Licht mittels der für die Beleuchtung eingesetzten Glasfaser auf.

Durch vorsichtige Bewegung der Faserspitze über den Quantenpunkt konnte so die Ausdehnung eines einzelnen Exzitons direkt optisch abgebildet werden. Exzitonen verhalten sich nämlich wie alle mikroskopischen Teilchen nicht wie ein festes, wohl lokalisierbares Punktteilchen, sondern eher wie eine Welle. Sie sind damit über einen Raumbereich „verschmiert“, und genau dies haben die japanischen Forscher mit ihrer Arbeit in eindrucksvoller Weise gezeigt.

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♦ Te|tra|chlor|äthy|len  〈[–klo:r–] n. 11; Chem.; Abk.: Per〉 farblose, unbrennbare, gesundheitsschädliche Flüssigkeit, wirkungsvolles Reinigungsmittel für Textilien u. Metalle, Entfettungs– u. Lösungsmittel

♦ Die Buchstabenfolge te|tr… kann in Fremdwörtern auch tet|r… getrennt werden.
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