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Text von Donnerstag, 6. July 2006

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 Los bei Erleuchtung: Exzitonen in neuem Licht 
 Marburg * (fjh/pm)
Leuchtdioden aus Halbleiter-Materialien finden sich mittlerweile fast überall: in Haushaltsgeräten, als Anzeige- und Kontroll-Lichter oder als Laser in CD-Spielern, Laser-Druckern und Supermarkt-Scannern. Der Prozess aber, durch den das Licht emittiert wird, ist in seinen Details immer noch nicht richtig verstanden. Darauf hat Prof. Dr. Stephan W. Koch hingewiesen, der an der Philipps-Universität theoretische Halbleiterphysik lehrt.
Zum Teil hat er sogar massives Unverständnis zu den Hintergründen ausgemacht. Nun hat das Fach-Journal "Nature Materials" Koch und seine Kooperationspartner zu einem Überblicks-Artikel eingeladen, in dem sie den neuesten Stand der weltweiten Forschung kritisch diskutieren und ihr eigenes Konzept vorstellen, das die Fachwelt revolutionieren dürfte.
In ihrem Artikel "Halbleiter-Exzitonen in neuem Licht" berichten die Physiker am Mittwoch (5. Juli) darüber, dass nicht - wie allgemein angenommen wird - Exzitonen die Quelle des Lichts sind, das von Halbleitern emittiert wird, sondern dass häufig Elektron-Loch-Plasmen für die Licht-Erzeugung verantwortlich sind.
Die Verwirrung rühre unter anderem daher, dass die experimentell gewonnenen Informationen über die Verteilung von Exzitonen in Halbleitern noch unzureichend sind. Um präzise in Erfahrung zu bringen, ob und unter welchen Bedingungen Exzitonen überhaupt auftreten, schlagen die Physiker spektroskopische Methoden auf Basis von Lichtquellen im Terahertzbereich vor.
Kochs Kooperationspartner sind der Marburger Juniorprofessor Dr. Mackillo Kira sowie Prof. Dr. Galina Khitrova und Prof. Dr. Hyatt Gibbs von der US-amerikanischen University of Arizona in Tucson. Unter anderem als Forschungs-Preisträger der Alexander-von-Humboldt-Stiftung war Hyatt Gibbs bereits mehrfach zu Gast am Marburger Fachbereich Physik.
Exzitonen sind Elektron-Loch-Paare, die in enger Wechselwirkung miteinander stehen und so "gebunden" sind. Elektronen und Löcher in einem Plasma können sich hingegen frei und unabhängig voneinander bewegen. "Löcher" wiederum sind Stellen in einem Halbleiter, wo ein Elektron fehlt. Eine solche Stelle hat dieselben physikalischen Eigenschaften wie ein reales, positiv geladenes Teilchen, sodass sie auch als "Quasi-Partikel" bezeichnet wird.
Fällt ein Elektron in ein Loch - ein Vorgang, den man "Rekombination" nennt -, wird Energie frei und in Form von Licht ausgesandt. Kira und Koch haben nun erkannt, dass Licht-Erzeugung aufgrund einer solchen Rekombination nicht nur von Exzitonen herrühren kann, sondern dass dafür auch ein Elektron-Loch-Plasma in Frage kommt und häufig sogar dominiert. Das geschieht, ohne dass sich dies an den Eigenschaften des ausgesandten Lichtes direkt erkennen ließe.
Um nun die Hintergründe der Licht-Abstrahlung präzise in physikalischen Modellen fassen zu können, müssen die genauen Voraussetzungen für das Auftreten und die Verteilung von Exzitonen in Halbleiter-materialien bekannt sein.
Die Autoren des Überblicks-Artikels bestreiten allerdings, dass sich diese Informationen mit Hilfe klassischer optischer Experimente gewinnen lassen. Vor allem die verbreitete Annahme, Exzitonen verhielten sich wie ein ideales Gas - würden also nicht miteinander in Wechselwirkung stehen - müsse zugunsten der Annahme eines miteinander wechselwirkenden Vielteilchen-Systems fallen gelassen werden.
Derzeitige Theorien und experimentelle Verfahren führen den Physikern zufolge zu Fehlinterpretationen der beobachteten Licht-Emission: Man schreibe deren Charakteristika häufig allein dem Verhalten der Exzitonen zu, obwohl auch andere physikalische Phänomene wie das allmähliche Verschwinden des Polarisations-Zustands oder die Abstrahlung des Ladungsträger-Plasmas eines Halbleiters zu vergleichbaren Spektren führen.
Darum müsse, so fordert das internationale Wissenschaftler-Team, insbesondere die noch junge Terahertz-Spektroskopie nun breitere Anwendung finden. Entsprechende Verfahren, an deren Entwicklung die Marburger Physiker Koch und Kira wesentlichen Anteil haben, arbeiten mit Licht, dessen Frequenz genau auf das Exziton abgestimmt ist. So gelingt es, Exzitonen gewissermaßen "direkt" zu beobachten. gleichzeitig wird verhindert, dass indirekte Verfahren zu möglichen Fehlschlüssen führen.
 
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