Zu kontrollieren, wie Elektronen in Halbleitern interagieren, ist entscheidend für die Entwicklung elektronischer und optischer Bauelemente. Physikerinnen und Physiker der Universit?t Regensburg entdeckten nun einen überraschend effizienten neuen Mechanismus, mit dem die Wechselwirkung zwischen Elektronen variiert und ihre Bewegung sogar auf eine Dimension beschr?nkt werden kann: magnetische Ordnung.
Elektronik und Optoelektronik der Zukunft sind mehr denn je auf ultimativ kompakte Bauelemente angewiesen. Atomar dünne Schichten sogenannter ?bergangsmetall-Dichalkogenide, die mittels Klebeband von Volumenkristallen abgezogen werden k?nnen, stehen daher seit einigen Jahren im Fokus der Festk?rperforschung. Da sich Elektronen in diesen ultradünnen Schichten nur noch in zwei Dimensionen aus dem Weg gehen k?nnen, interagieren sie dort besonders stark. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网 ?u?ert sich insbesondere in den optischen Eigenschaften. Trifft Licht auf diese Materialien, so k?nnen Elektronen energetisch angeregt werden und dabei je eine positiv geladene Fehlstelle, ein sogenanntes Loch, an ihrer ursprünglichen Position hinterlassen.
Aufgrund ihrer gegens?tzlichen Ladung kann das Elektron das Loch umkreisen und so einen gebundenen Zustand ?hnlich einem Atom bilden, ein sogenanntes Exziton. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Teilchen verleihen dem Material v?llig neue optische Eigenschaften, die durch strukturelle Anpassungen, wie dem Stapeln verschiedener atomar dünner Schichten, gezielt ma?geschneidert werden k?nnen – verlockende Aussichten für die Entwicklung hauchdünner Solarzellen und LEDs. Trotzdem sind praktische Anwendungen basierend auf diesen Materialien bislang schwer umzusetzen, da die derzeitigen Methoden, um atomare Lagen herzustellen, nicht mit einer industriellen Massenproduktion kompatibel sind.
Ein internationales Team von Physikerinnen und Physikern aus Regensburg, Ann Arbor, Prag und Dresden hat auf der Suche nach alternativen M?glichkeiten zur r?umlichen Einschr?nkung und Kontrolle von Elektronen nun einen neuen Mechanismus in dem au?ergew?hnlichen Material Chromsulfidbromid (CrSBr) entdeckt, der nicht auf strukturelle Anpassungen angewiesen ist. Das Material CrSBr weist eine Schichtstruktur auf, in der die Spins der Elektronen – eine quanten-mechanische Eigenschaft, die ein magnetisches Moment erzeugt – innerhalb einer atomar dünnen Lage alle entlang einer Richtung ausgerichtet sind. Die Spin-Richtung der benachbarten Schichten ist dabei abh?ngig von der sie umgebenden Temperatur. Sind die Spins zweier benachbarter Lagen antiparallel ausgerichtet k?nnte dies die Elektronenbewegung auf eine einzelne Atomlage einschr?nken und so einen ?magnetischen K?fig“ bilden.
Um diese Vermutung zu überprüfen, setzte das Team von Prof. Rupert Huber in Regensburg ultrakurze Laserblitze ein, die nur wenige Femtosekunden kurz sind – hundert Billionen Mal schneller als ein Wimpernschlag – um Exzitonen in dem Material anzuregen. Ein zweiter ultrakurzer Lichtimpuls, der im mittelinfraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums gew?hlt wurde, tastete die atom?hnlichen Energieniveaus der Exzitonen ab, indem er spezifische ?berg?nge zwischen verschiedenen Orbitalen anregte.
Mit dieser Methode, die man sich wie eine Zeitlupenkamera vorstellen kann, untersuchten die Forscher, wie sich die Exzitonen verhalten. Damit erhielten sie Einblick in ihre Bindungsenergie, Bewegung und Lebensdauer und schafften es sogar, die Bindungsst?rke der Exzitonen in einem CrSBr-Kristall zu kontrollieren. Die dafür notwendigen hochwertigen Kristalle wurden vom Prager Team von Prof. Zdeněk Sofer gezüchtet. Durch systematische Variation der Temperatur beobachtete das Forschungsteam eine pl?tzliche ?nderung in der Energiestruktur der Exzitonen, die direkt mit der magnetischen Ordnung des Materials zusammenh?ngt.
Eine komplexe Quantentheorie, entwickelt von der Gruppe um Prof. Mackillo Kira an der University of Michigan, analysierte diese Energieverschiebung auf mikroskopischer Ebene. Sie stellten fest, dass die Dimensionalit?t der Exzitonen von der magnetischen Ordnung vorgegeben wird. Wie erwartet, führt die antiparallele Spin-Ausrichtung bei niedrigen Tempera?turen dazu, dass Elektronen und L?cher innerhalb einer einzigen Lage des Materials eingeschlossen werden. In Kombination mit der speziellen Kristallstruktur von CrSBr schr?nkt dieser ?magnetische K?fig“ die Bewegung der Exzitonen innerhalb der Ebene weiter ein. Dadurch sind Exzitonen im Wesentlichen auf eine einzige Dimension begrenzt, was selbst in Kristallen mit Hunderten von Schichten zu hohen Bindungsenergien führt. Mit zunehmender Temperatur geht die Spin-Ausrichtung jedoch verloren, wodurch der magnetische K?fig aufgebrochen wird. Die Exzitonen k?nnen sich wieder frei entlang aller Raumdimensionen bewegen und über mehrere Schichten hinweg ausbreiten, was ihre Bindungsenergie drastisch verringert, jedoch gleichzeitig ihre Lebensdauer verl?ngert.
Foto: Brad Baxley (parttowhole.com) ?Es war faszinierend zu sehen, wie wir das Verhalten dieser Exzitonen schlagartig ver?ndern konnten, indem wir das Material abkühlten. Um sicherzustellen, dass dieses Verhalten eindeutig auf den magnetischen Phasenübergang zurückzuführen ist, haben wir in einem weiteren Experiment ein externes Magnetfeld angelegt. Dadurch konnten wir tats?chlich die Temperatur kontrollieren, bei der sich der magnetische K?fig ?ffnet“, erkl?rt Marlene Liebich, die Erstautorin der Studie. ?Die magnetische Ordnung stellt eine neue Stellschraube dar, um Exzitonen und ihre Wechselwirkungen ma?zuschneidern. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网 k?nnte zukünftige Elektronik- und Informationstechnologien entscheidend ver?ndern“, erg?nzt Dr. Niloufar Nilforoushan, eine Autorin der Studie.
Eine zweite Ver?ffentlichung zusammen mit Kollegen aus Dresden, New York und Prag, die zeitgleich in der Fachzeitschrift Nature Materials erschienen ist, erg?nzt diese Erkenntnisse in hervorragender Weise. In dieser Studie wurde die magnetische Einschr?nkung von Exzitonen mit einer anderen Messmethode nachgewiesen, bei der das von der Probenoberfl?che reflektierte Licht untersucht wurde. Dr. Florian Dirnberger, ein Autor beider Publikationen, zeigt sich begeistert: ??berraschenderweise ist der magnetische Einschluss so effektiv, dass man Exzitonen in verschiedenen atomar dünnen Schichten des Materials unterscheiden kann.“ In der Tat fand das Team heraus, dass Exzitonen an der Oberfl?che deutlich andere Eigenschaften aufweisen als im Inneren des Materials.
百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Ergebnisse er?ffnen spannende M?glichkeiten für zukünftige spintronische Bauelemente und eine gezielte Steuerung von Phasenüberg?ngen – eine einzigartige Perspektive für Technologien zur Informationsverarbeitung. Auch die neu beobachteten Oberfl?chen-Exzitonen k?nnten wesentlich zu diesen Fortschritten beitragen, da ihre unterschiedlichen Eigenschaften insbesondere für Sensoranwendungen von gro?er Bedeutung sind.
Originalpublikationen:
M. Liebich, M. Florian, N. Nilforoushan, F. Mooshammer, A. D. Koulouklidis, L. Wittmann, K. Mosina, Z. Sofer, F. Dirnberger, M. Kira and R. Huber, “Controlling Coulomb correlations and fine structure of quasi-one-dimensional excitons by magnetic order”,
Nature Materials (2025), https://doi.org/10.1038/s41563-025-02120-1 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)
Y. Shao, F. Dirnberger, S. Qiu, S. Acharya, S. Terres, E. J. Telford, D. Pashov, B. S. Y. Kim, F. L. Ruta, D. G. Chica, A. H. Dismukes, M. E. Ziebel, Y. Wang, J. Choe, Y. J. Bae, A. J. Millis, M. I. Katsnelson, K. Mosina, Z. Sofer, R. Huber, X. Zhu, X. Roy, M. van Schilfgaarde, A. Chernikov and D. N. Basov, “Magnetically confined surface and bulk excitons in a layered antiferromagnet”,
Nature Materials (2025), https://doi.org/10.1038/s41563-025-02129-6 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)
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Prof. Dr. Rupert Huber
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
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