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Text von Freitag, 7. Dezember 2007

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 Vor der Fachwelt: Exzitonen gezielt angeregt 
 Marburg * (fjh/pm)
Vonn einem neuerlichen wissenschaftlichen Erfolg berichtete die Philipps-Universität am Freitag (7. Dezember). Mit Hilfe der sogenannten "Terahertz-Strahlung" kontne der Marburger Physiker Prof. Dr. Stephan W. Koch Sogenannte "Exzitonen" in Halbleitern erfolgreich manipulieren.
Terahertz-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarot- und der Mikrowellen-Strahlung. Sie ist also mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar.
Lange Zeit standen keine leistungsfähigen Sender und Empfänger im Wellenlängen-Bereich von Terahertz-Strahlung zur Verfügung. Erst in den letzten Jahren gab es eine rasante Entwicklung der Terahertz-Technologie, die schon jetzt vielfältige Anwendungen hervorbringt. Besondere Erwähnung verdient die sogenannte "Terahertz-Spektroskopie". Darunter versteht man eine Analyse-Methode, bei der man ausnutzt, dass viele Materialien mit elektromagnetischer Strahlung besonders effektiv im Terahertz-Bereich wechselwirken.
Mit Hilfe dieser Methode kann zum Beispiel die Zusammensetzung organischer Stoffe und biologischer Systeme effizienter als bisher analysiert werden oder in der Medizin die Schwere von Verbrennungen diagnostiziert werden. Da Terahertz-Strahlung Plastik und Textil problemlos durchdringt, sind auch Anwendungen im Bereich der Sicherheitstechnik möglich, bei denen beispielsweise Menschen in Flughäfen - ohne Risiko - nach verborgenen Sprengsätzen oder Waffen durchsucht werden können.
"Vor einigen Jahren haben wir vorgeschlagen, die Terahertz-Spektroskopie zur Untersuchung sogenannter Exzitonen in Halbleitern einzusetzen, um zum Beispiel zu untersuchen, wie Licht-Erzeugung in Halbleiter-Dioden genau funktioniert", erklärte Koch. Zusammen mit seinem Team an der Philipps-Universität hatte er in theoretischen Untersuchungen zeigen können, was inzwischen von Experimenten bestätigt wurde: Die Terahertz-Strahlung erlaubt, diese Exzitonen gewissermaßen "direkt" zu beobachten, was mit herkömmlichen Methoden nicht möglich war.
In einem Artikel, der in der renommierten Fachzeitschrift "Physical Review Letters" veröffentlicht wurde, gehen die Marburger Physiker jetzt einen Schritt weiter: Dort zeigen sie, dass sich Terahertz-Strahlung nicht nur zur Beobachtung von Exzitonen, sondern auch zu deren Manipulation einsetzen lässt.
Zu dieser Erkenntnis kommen sie durch den Vergleich theoretischer Ergebnisse mit einem Experiment, das von Prof. Dr. Yun-Shik Lee von der amerikanischen University of Oregon in Corvallis durchgeführt wurde. Zurzeit verbringt Lee im Rahmen eines Stipendiums der Humboldt-Stiftung einen einjährigen Forschungsaufenthalt in Marburg. Dabei arbeitet er intensiv mit der experimentellen und theoretischen Halbleiter-Physik an gemeinsamen Projekten.
Mit dem Begriff "Exzitonen" in Halbleitern bezeichnet man nach dem englischen Wort "excitation" für "Anregung" die Kombination von einem negativ geladenen Elektron und einem positiv geladenen "Loch", die aufgrund der anziehenden Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Ladungen ein gebundenes Paar bilden. Ihren Namen hat diese Kombination erhalten, da sie erst nach Anregung durch bestimmtes Laser-Licht entsteht.
Ein solches "Exziton" verhält sich im Prinzip wie ein Wasserstoff-Atom, bei dem ein negativ geladenes Elektron von einem positiv geladenen Kern angezogen wird. Wie beim Wasserstoff-Atom darf die Energie des Exzitons unterschiedliche - aber nur ganz bestimmte - Werte annehmen. Befindet sich das Elektron sozusagen auf der ersten Schale nahe am Loch, so hat es eine niedrige Energie. Auf der zweiten hat es dementsprechend eine höhere.
Die Energie, die nötig ist, um ein Elektron in eine höhere Schale anzuheben, liegt gerade im Terahertz-Bereich. Man spricht dabei von einem "Übergang".
Die Tatsache, dass Terahertz-Strahlung auf diese Exzitonen-Übergänge "abgestimmt" ist, lässt sich ausnutzen, um Exzitonen mit schwachen Terahertz-Lichtpulsen nachzuweisen und deren Verhalten zu beobachten. In dem untersuchten Experiment wurden nun aber starke, extrem kurze Terahertz-Lichtpulse eingesetzt, deren hohe Intensität ausreicht, solche Übergänge zwischen verschiedenen Energie-Niveaus gezielt zu verursachen und damit die Schalen-Konfiguration zu verändern.
Diese Vorgänge äußern sich im Experiment indirekt in einer messbaren Veränderung der optischen Eigenschaften des Halbleiter-Materials. Durch die theoretische Modellierung des Experiments ist es den Marburger Physikern gelungen, die Ergebnisse der Messung genau zu reproduzieren und unter anderem solchen Exzitonen-Übergängen zuzuordnen.
Besonders am Experiment ist auch, dass die Messungen "zeit-aufgelöst" erfolgen. Die Prozesse können auf extrem kurzer Zeit-Skala und daher sehr detailliert verfolgt werden.
 
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