Rydberg-Exzitonen im Vielteilchensystem Festkörper

• Antragsteller: Dr. Dirk Semkat
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 400970559

Die erstmalige Beobachtung von Exzitonen mit Hauptquantenzahlen n>20 in Kupferoxydul (Cu2O) hat ein seither stetig wachsendes neues Forschungsgebiet der Halbleiterphysik begründet, die Physik der Rydberg-Exzitonen. Die Beobachtung der Rydberg-Blockade, aus der Physik der Rydberg-Atome gut bekannt, spielt dabei eine entscheidende Rolle. Dabei verhindert die Anwesenheit eines Exzitons aufgrund von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen die Anregung weiterer Exzitonen.Die bisherigen Erfolge bei der Interpretation der experimentellen Befunde beruhen auf der Übertragung atomphysikalischer Konzepte auf die Beschreibung des Exzitons und funktionieren somit sehr gut, solange das Exziton analog zu einem isolierten Atom beschreibbar ist. Das Exziton im Halbleiter befindet sich aber in der Festkörperumgebung. Sobald deren Einfluss relevant wird, muss er Berücksichtigung finden und die oben genannten Konzepte müssen modifiziert werden.Solche Einflüsse der Festkörperumgebung sind z.B. die Wechselwirkungen mit Phononen, Photonen, Störstellen oder Kristallinhomogenitäten und insbesondere mit einem Elektron-Loch-Plasma (ELP). Hier lassen erste Ergebnisse einen starken Einfluss auf die Rydberg-Exzitonen erwarten, der sich beispielsweise in einer systematischen Abnahme der Stärke der Absorptionslinien mit steigender Plasmadichte zeigt (Plasma-Blockade). Aufgrund des Augereffektes, bei dem zwei Exzitonen in ein Elektron-Loch-Paar zerfallen, ist in Cu2O bei jeder optischen Anregung, bei der Exzitonen erzeugt werden, auch mit der Anwesenheit eines ELP zu rechnen, was zusätzliche Blockadeeffekte hervorruft.Zentrale Anliegen des Vorhabens sind die vielteilchentheoretische Begründung des Plasmaeffektes, die Untersuchung der Mechanismen der Plasma-Blockade und die experimentelle Untermauerung der Relaxationsdynamik des Plasmas.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen