Im Reich der Quanten-Riesen

16.10.2014

Quantenphänomene spielen sich normalerweise nur in winzigsten Maßstäben ab. Deshalb fasziniert es Forscher, zwei Mikrometer große Rydberg-Anregungen nachweisen zu können

Wenn man ein Elektron genügend weit von "seinem" Atomkern entfernt, indem man ihm entsprechend viel Energie zuführt, passieren seltsame Phänomene. Aus der Perspektive des Elektrons ist dann in weiter Entfernung quasi nur noch ein verschwommener Ball zu sehen, der alle inneren Elektronen und den Atomkern umfasst. Betrachtet man nur das einsame Elektron und die insgesamt einfach positiv geladene Struktur im Inneren, ähnelt das derart angeregte Atom plötzlich einem Wasserstoff-Atom, und es lässt sich auch quantenphysikalisch so beschreiben.

Gleichzeitig bekommt das Atom aber auch halbklassische Eigenschaften; das Elektron bewegt sich auf einem Orbit um den Kern wie ein Planet um die Sonne. Physiker nennen ein solches Konstrukt Rydberg-Atom. Im Weltraum wurden bereits Rydberg-Atome im Millimeterbereich nachgewiesen.

Das Prinzip lässt sich von Teilchen auf Quasi-Teilchen übertragen. Quasi-Teilchen können alle möglichen Formen annehmen. Stets handelt es sich jedoch um ein Phänomen, das sich physikalisch wie ein Teilchen behandelt lässt. Dazu gehören etwa die Phononen (elastische Wellen in Kristallen), Plasmonen (Schwankungen der Ladungsträgerdichte in Metallen), die Defektelektronen oder Löcher (Elektronen-Fehlstellen in einem Halbleiter) oder auch die Exzitonen.

Dabei handelt es sich um Paare aus einem Elektron und einem Loch, die schon in den 1930ern von Jakow Frenkel vorhergesagt wurden. Das Loch spielt dabei die Rolle des Wasserstoffkerns, des Protons, während das Elektron sich selbst spielt. Ein Exziton ist wie ein Wasserstoff-Atom elektrisch neutral. Es entsteht als Anregung, etwa indem ein Photon ein Elektron in das Leitungsband des Halbleiters hebt.

Danach kann es sich als neutrales Teilchen durch den Festkörper bewegen und dabei Energie (die Anregungsenergie) transportieren. Ein Exziton ermöglicht also einen ladungslosen Energietransport. Im Vergleich zum Wasserstoff-Atom ist allerdings die räumliche Ausdehnung eines Exzitons deutlich größer. Das liegt daran, dass umliegende Atome die elektrische Anziehung zwischen Loch und Elektron teilweise abschirmen.

Interessante Eigenschaften

So, wie man das Elektron im Wasserstoff-Atom auf eine höhere Bahn hieven kann (um ein Rydberg-Atom zu erhalten), kann man auch bei einem Exziton verfahren. Das Ergebnis ist ein Rydberg-Exziton. Im Wissenschaftsmagazin Nature stellen Forscher jetzt einen neuen Rekord auf: In sehr reinen Kupferoxid-Kristallen gelang es ihnen, per Laser Rydberg-Exzitonen zu erzeugen, die der Quantenzahl 25 entsprechen (der Grundzustand trägt die 1). Sie sind etwa zehn mal so groß wie die Wellenlänge des sie erzeugenden Lichts und erstrecken sich über mehrere Milliarden Gitterebenen des Kristalls.

Solche Rydberg-Exzitonen besitzen ein paar spannende Eigenschaften, etwa einen sehr starken Diamagnetismus, das heißt sie verdrängen auch starke Magnetfelder aus dem Inneren des Festkörpers. Außerdem mögen sie keine Konkurrenz: Durch die so genannte Rydberg-Blockade (gibt es auch bei "echten" Rydberg-Atomen) verhindern sie, dass im selben Raumvolumen weitere Rydberg-Exzitonen entstehen. Das Phänomen lässt sich nutzen, um die Absorptionsfähigkeit des Materials zu steuern: Sobald man per Laser ein Rydberg-Exziton erzeugt hat, nimmt der Festkörper in dessen Herrschaftsbereich keine weiteren Photonen auf.

Auf diese Weise ließen sich on-the-fly Schalter und Transistoren für optische Computer erzeugen, die sich immer dort befinden, wo sie gerade gebraucht werden. Eine spannende (aber noch sehr futuristische) Idee: Statt einen IC umständlich durch Ätzen winziger Transistoren herzustellen, lässt man die Schalter einfach wie von einem Beamer nach Bedarf auf das Material projizieren und kann dann sogar ihre Position verändern.

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