Dropleton : Physiker entdecken neues Quasiteilchen

Laserpulse erzeugen ein bisher unbekanntes „Quantentröpfchen“. Es existiert allerdings nur für kurze Zeit - gerade 25 Billionstel Sekunden.

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Quantentröpfchen. Das Bild zeigt, wie sich Elektronen in einem Dropleton arrangieren: Je höher die Welle, umso wahrscheinlicher ist es, dort ein Elektron zu finden.
Quantentröpfchen. Das Bild zeigt, wie sich Elektronen in einem Dropleton arrangieren: Je höher die Welle, umso wahrscheinlicher...Abb.: Nature/Brad Baxley

Mithilfe von Laserpulsen haben Physiker in einem Halbleiter ein bisher unbekanntes „Quasiteilchen“ erzeugt. So nennen Forscher den mikroskopischen Verbund mehrerer Elementarteilchen, der sich im Zusammenschluss wie ein einzelnes Teilchen verhält. Das neue Quasiteilchen ist groß: Es besteht aus bis zu sieben Elektronen und „Löchern“ in dem Kristall, berichtet das deutsch-amerikanische Team im Fachmagazin „Nature“. Da es sich wie eine Flüssigkeit verhält, nennen sie es Dropleton oder Quantentröpfchen.

Martin Mootz von der Universität Marburg, der an der Studie beteiligt ist, vergleicht die Entdeckung mit der Entwicklung nach dem Urknall: Zuerst gab es Elementarteilchen, dann formten sich einfache Elemente wie Wasserstoff und Helium, später folgten komplexere Atome. Ähnlich sei es bei den Quasiteilchen. Strahlt ein Laser auf einen Halbleiter, entstehen zunächst freie Elektronen sowie Löcher, an denen Elektronen fehlen und die sich wie eine positive Ladung verhalten. Verbindet sich ein Loch mit einem Elektron, entsteht ein einfaches Quasiteilchen namens Exziton. Schließlich werden die Gebilde immer komplizierter. „Das Dropleton kann man auch als ein neu entdecktes Element im Periodensystem der Quasiteilchen verstehen“, sagt Mootz.

Dropletons bestehen aus vier bis sieben Elektron-Loch-Paaren. Sie messen rund 200 Nanometer (Millionstel Millimeter) und sind damit 1500-mal größer als ein Wasserstoffatom. Physikalisch lassen sie sich als eine Blase im umgebenden Plasma beschreiben, schreiben die Forscher. So bilden sie zum Beispiel Rippel. Dennoch ist ein Quantentröpfchen keine gewöhnliche Flüssigkeit wie etwa Wasser, denn seine Größe ist begrenzt. Kommen weitere Teilchen hinzu, löst sich die Verbindung zwischen den Elektronen und Löchern. Und es ist kurzlebig: Nach 25 Billionstel Sekunden gleichen sich die Ladungen aus, das Quasiteilchen zerstrahlt zu Licht.

Um über Anwendungen zu sprechen, sei es noch zu früh, sagt Mootz. Die Forscher wissen aber, dass Dropletons empfindlich auf Licht reagieren. Möglicherweise könnte ihre Entdeckung zu neuen optoelektronischen Bauteilen für die Datenverarbeitung beitragen.

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