Dynamik wechselwirkender Rydbergexzitonen in inhomogenen Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Scheel
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316159498

Exzitonen in Halbleitern sind durch Licht-Materie-Wechselwirkung angeregte Quasiteilchen, bei denen ein Elektron aus dem Valenzband zu einem gebundenen Zustand unterhalb des Leitungsbandes angehoben wird. In anorganischen Halbleitern wie dem Kupferoxid CU2O mit seiner relativ grossen Bindungsenergie sind die Exzitonen vom Mott-Wannier-Typ, deren Wellenfunktionen sich ueber viele Einheitszellen des Kristalls erstrecken. Die Coulombwechselwirkung zwischen dem angeregten Elektron und dem verbleibenden Loch erlaubt gebundene Zustaende in enger Analogie zum Wasserstoffatom, mit dem entscheidenden Unterschied, dass der Kristallhintergrund eine kubische Symmetrie anstatt einer Kugelsymmetrie besitzt. Die Aehnlichkeit zwischen Halbleiterexzitonen und dem Wasserstoffproblem war der Grund fuer die Suche nach hochangeregten Rydbergexzitonenzustaenden, die bis dato in der hochaufgeloesten Spektroskopie von Rydbergzustaenden mit einer Hauptquantenzahl von bis zu n=25 kulminierte. Das Wechselspiel zwischen der Wechselwirkung der Rydbergexzitonen mit dem Elektron-Loch-Plasma und der Dipol-Dipol-Wechselwirkung fuehrt zu halbleiterspezifischen Blockadephaenomenen, die noch nicht vollstaendig verstanden sind.Ziel dieses Projekts ist es, wechselwirkende Rydbergexzitonen im Halbleiter Cu2O zu untersuchen. Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Foerderperiode werden wir die Wechselwirkung von Rydbergexzitonen in Cu2O untereinander sowie mit freien Ladungstraegern untersuchen, um die relevante Zeitskala zu bestimmen, auf der der Rydbergblockademechanismus dominiert. Besonderes Augenmerk wird auf die Lebensdauer von Rydbergexzitonenzustaenden gelegt, die gewoehnlich durch Phononenstreuprozesse begrenzt wird. Auf diesem Hintergrund werden wir die Stabilitaet von zirkularen Rydbergexzitonenzustaenden in Analogie zu deren atomaren Gegenstuecken bestimmen, und strahlende und nichtstrahlende Relaxationsprozesse studieren. In einer frueheren Studie fanden wir, dass die Lebensdauer von Rydbergexzitonen zu kurz sein koennte, um sie in Druckfallen fangen zu koennen. Deswegen werden wir hier anstelle dessen lokale Anregungsschemen untersuchen, die einerseits mit viel geringerem Druck auskommen und andererseits in der Lage sind, direkt eindimensionale Ketten von Rydbergexzitonen anzuregen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1929: Giant Interactions in Rydberg Systems (GiRyd)