Physiker entdecken neues Quasiteilchen

03.03.2014 - Deutschland

Marburger und US-amerikanische Physiker haben ein neuartiges Quasiteilchen identifiziert, das entsteht, wenn Halbleiter mit Laserlicht bestrahlt werden. Wie das Forscherteam in der Titelgeschichte der aktuellen Ausgabe von „Nature“ schreibt, verhält sich das Quasiteilchen wie ein Flüssigkeitstropfen mit quantenphysikalischen Eigenschaften. Die Autoren bezeichnen ihre Entdeckung daher als Quantentröpfchen oder Dropleton.

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. Sobald die Quasiteilchen zu groß werden, löst sich die Verbindung zwischen Elektronen und Löchern. „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 zwei Jahren legten sie einen neuen Theorierahmen für die Quanten-Laserspektroskopie vor.