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Halbeitermaterialien sind für die moderne Technik unverzichtbar – sie stecken in Computern, Solarzellen, Lasern und unzähligen weiteren Anwendungen. Jetzt haben Physiker bei einem dieser Materialien ein neues Quantenphänomen entdeckt. Erstmals konnten sie durch Anregung mit Licht erzeugte Quasiteilchen – Exzitonen – auch auf der Oberfläche eines geschichteten antiferromagnetischen Halbleiters nachweisen. Bislang waren diese Quasiteilchen nur aus dem Inneren solcher Materialien bekannt. Die Entdeckung der Oberflächen-Exzitonen sei ein wichtiger Schritt für das Verständnis dieser ungewöhnlichen Quantenstrukturen und der Physik von 2D-Magneten, erklärt das Team. Gleichzeitig könnte die neu entdeckte Art der Quasiteilchen auch neue Anwendungen in der Photonik und mit optischen Nanomaterialien ermöglichen.
Exzitonen sind Quasiteilchen, die unter anderem entstehen, wenn Strahlung auf ein halbleitendes Material trifft. Die Photonen des Lichts regen Elektronen im Material an, die dadurch ihre ursprüngliche Position verlassen. Zurück bleibt ein positiv geladenes „Loch“ im Kristallgitter. Dieses zieht das „entflohene“ Elektron wieder an und bildet mit ihm eine Art Paar. Weil sich diese Paare aus Elektron und Loch wie ein neues, eigenständiges Teilchen verhalten, werden sie als Quasiteilchen bezeichnet. Die Besonderheit der Exzitonen besteht darin, dass sie die Energie des ursprünglich anregenden Lichts speichern und durch ihre Beweglichkeit auch innerhalb des Materials transportieren können, ohne dass gleichzeitig ein Ladungstransport stattfindet – denn zusammen sind Loch und Elektron elektrisch neutral. Wenn sich die Exzitonen auflösen, geben sie die Energie als Licht wieder ab. „Exzitonen sind gerade für optische Eigenschaften von Nanomaterialien extrem wichtig“, erklärt Co-Erstautor Florian Dirnberger von der TU München. Üblicherweise findet man Exzitonen in nicht-magnetischen Halbleitern, denn Magnete sind meistens metallisch und können daher keine stabilen Exzitonen ausbilden.
Quasiteilchen im geschichteten Halbleiter
Doch inzwischen kennen Physiker einige Materialien, die trotz magnetischer Eigenschaften Exzitonen bilden. Möglich wird dies unter anderem bei Antiferromagneten, die aus Schichten mit entgegensetzt gepolten Atomspins bestehen. „Erst in den letzten vier Jahren hat die Materialphysik entdeckt, welches Potenzial die Quasiteilchen haben, wenn sie in magnetischen Kristallen gezielt erzeugt werden“, sagt Dirnberger. „Dann können die Exzitonen zusätzlich zur Energie auch Informationen speichern und transportieren, diese aber auch als Licht wieder abgeben. Die Erforschung der exotischen Quasiteilchen steht zwar noch am Anfang, könnte aber künftig die Basis für neuartige Technologien sein, die Photonik und Magnetismus verbinden.“ Als besonders vielversprechend erweisen sich dabei antiferromagnetische Halbleitermaterialien, die aus vielen ultradünnen, nur lose über Van-der-Waals-Kräfte untereinander gebundenen Lagen bestehen. „Solche Van-der-Waals-Materialien kristallisieren in Schichtstrukturen mit nur schwachen Bindungen zwischen den Lagen“, erklären die Physiker. „Dadurch zeigen sie bemerkenswerte physikalische Eigenschaften.“ Jede Einzelschicht verhält sich in einem solchen Material fast, als wäre sie ein isoliertes 2D-Material.
Für ihre Studie haben Dirnberger und seine Kollegen den antiferromagnetischen Quantenhalbleiter Chromium-Sulfid-Bromid (CrSBr) näher untersucht. Von diesem war zuvor schon bekannt, dass in seinem Inneren bei Bestrahlung Exzitonen entstehen können. „Diese Exzitonen im CrSBr zeigen große Oszillatorstärken”, berichten die Physiker. Das bedeutet, dass diese Quasiteilchen stark mit einfallendem Licht interagieren und viel von seiner Energie aufnehmen können. Unbekannt war jedoch, ob das Halbleitermaterial auch auf seiner Oberfläche Exzitonen bilden kann. Das haben Dirnberger und sein Team nun untersucht. Dafür züchteten sie hauchdünne, aber vielschichtige Chromium-Sulfid-Bromid-Kristalle, kühlten sie bis auf fünf Kelvin herunter und analysierten die nach Anregung mit Licht vom Material ausgehende Strahlung mit speziellen Spektrometern. „Weil die Oberflächen-Exzitonen das Licht mit einer etwas anderen Farbe reflektieren und abgeben als die Quasiteilchen im Inneren des Materials, konnten wir sie gezielt ansteuern“, erklärt Seniorautor Alexey Chernikov vom Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat.
Erster Nachweis von Oberflächen-Exzitonen bei einem Halbleitermagnet
In ihrem Experiment entdeckten die Physiker etwas Neues: „Im Labor haben wir Exzitonen gesehen, die nicht nur tief im Material existieren, sondern auch auf seiner Oberfläche“, berichtet Chernikov. Diese Quasiteilchen seien ein zuvor noch nicht identifizierter Typ der optischen Anregung in solchen Materialien. Nähere Analysen ergaben, dass sich diese neu entdeckten Oberflächen-Exzitonen in einigen Kernmerkmalen von den Exzitonen im Inneren des Halbleiters unterscheiden. „Durch die unterschiedlichen dielektrischen und magnetischen Umgebungen haben die auf die Oberflächenschichten beschränkten Exitzonen andere Energien als die Exzitonen in den inneren Schichten“, erklärt das Team. Auch die Oszillatorstärken der beiden Exzitonen-Arten verändern sich auf unterschiedliche Weise.
Wie die Physiker erklären, sind die neuen Erkenntnisse sowohl für das grundlegende Verständnis magnetischer Materialien als auch für technologische Entwicklungen auf diesem Gebiet bedeutend. Denn die Erzeugung solcher Oberflächen-Exzitonen in einem magnetischen Halbleitermaterial liefert neue Einblicke in die Physik von 2D-Magneten, aber auch Anwendungsmöglichkeiten für optische Nanomaterialien und in der Photonik. „Die hier vorgestellte Physik der exzitonischen Zustände wird von Interesse für eine breite Wissenschaftsgemeinschaft sein, die optische und magnetische Phänomene in niedrigdimensionalen Systemen untersucht“, schreibt das Team.
Quelle: Yinming Shao (Columbia University, New York) et al., Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-025-02122-z
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