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Eine der größten Herausforderungen in der materialwissenschaftlichen Forschung ist es, die optischen Eigenschaften von Halbleitern bei Raumtemperatur so fein wie möglich aufeinander abzustimmen. Diese Eigenschaften werden durch "Exzitonen" bestimmt, gebundene Paare von negativen Elektronen und positiven Löchern in einem Halbleiter.
Excitons haben in der Optoelektronik immer mehr an Bedeutung gewonnen und in den letzten Jahren ist die Suche nach Regelparametern - Temperatur, Druck, elektrische und magnetische Felder -, die die exitonischen Eigenschaften beeinflussen können, stark gestiegen. Mässig große Veränderungen wurden jedoch nur unter Gleichgewichtsbedingungen und bei niedrigen Temperaturen erreicht. Signifikante Veränderungen bei Umgebungstemperaturen, die für die Anwendung wichtig sind, blieben bisher aus.
Dies wurde nun im Labor von Majed Chergui an der EPFL im Lausanner Centre for Ultrafast Science in Zusammenarbeit mit den Theoriegruppen von Angel Rubio (Max-Planck-Institut, Hamburg) und Pascal Ruello (Université de Le Mans) erreicht. Mit der Veröffentlichung in Science Advances zeigt das internationale Team erstmals die Kontrolle excitonischer Eigenschaften mittels akustischer Wellen. Dazu starteten die Forscher eine hochfrequente (Hunderte von Gigahertz) akustische Welle in grosser Schwingungsbreite in einem Material mit ultrakurzen Laserpulsen. Diese Strategie ermöglicht zudem die dynamische Manipulation der Exzitoneneigenschaften bei hoher Geschwindigkeit.
Dieses bemerkenswerte Ergebnis wurde auf Titandioxid bei Raumtemperatur erzielt, einem preiswerten und reichlich vorhandenen Halbleiter, der in einer Vielzahl von Lichtenergieumwandlungstechnologien wie Photovoltaik, Photokatalyse und transparenten leitfähigen Substraten eingesetzt wird.
"Unsere Erkenntnisse und die vollständige Beschreibung eröffnen sehr spannende Perspektiven für Anwendungen wie preiswerte akusto-optische Geräte oder in der Sensorik für äussere mechanische Belastungen", sagt Majed Chergui. "Die Verwendung hochfrequenter akustischer Wellen, wie sie durch ultrakurze Laserpulse erzeugt werden, als Steuerungsschemata von Exzitonen ebnet eine neue Ära für Akustoexzitonen und Aktiv-Exzitonen, analog zur aktiven Plasmonen, die die Plasmonenanregungen von Metallen nutzen".
"Diese Ergebnisse sind nur der Anfang dessen, was durch die Einführung hochfrequenter akustischer Wellen in Materialien erforscht werden kann", ergänzt Edoardo Baldini, der Hauptautor des Artikels, derzeit am MIT. "Wir erwarten, dass wir sie in Zukunft nutzen werden, um die grundlegenden Wechselwirkungen des Magnetismus zu kontrollieren oder neue Phasenübergänge in komplexen Festkörpern auszulösen".
Andere Mitwirkende
- Universität des Baskenlandes
- Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
- Simons Stiftung (Flatiron Institute)
- Gemeinsame Forschungseinheiten des CNRS