Wechselwirkungen zwischen Rydberg Exzitonen und geladenen Störstellen

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Alexander Aßmann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504522424

Wir untersuchen die Wechselwirkung zwischen Rydbergexzitonen und geladenen Störstellen im Halbleitermaterial Cu2O. Das Material Cu2O weist Rydbergexzitonen mit Hauptquantenzahlen bis zu n=30 auf, die Ausdehnungen im Mikrometerbereich erreichen können. Analog zu Rydbergatomen weisen Rydbergexzitonen eine hohe Polarisierbarkeit auf, wodurch sich ihr Zustand bereits durch schwache externe elektrische Felder kontrollieren lässt. In diesem Zusammenhang ist zu erwarten, dass die kristalline Umgebung, in der die Rydbergexzitonen erzeugt werden, bereits bei geringen Dichten an geladenen Störstellen einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften der Rydbergzustände hat. Die Anwesenheit statischer Ladungen setzt die Rydbergexzitonen einem elektrischen Feld aus, woraus Stark-Aufspaltungen der Energieniveaus und eine komplexe Mischung bis hin zur Dissoziation der Zustände knapp unter der Bandkante resultieren. Das Ziel dieses Projektes ist es, diesen störenden Einfluss der Störstellen auf das Rydberg Spektrum zu verstehen und kontrollieren zu können. Wir nutzen Zwei-Farben Pump-Probe Spektroskopie, um gezielt Rydbergexzitonen mit hoher Hauptquantenzahl zu erzeugen, welche wiederum die elektrischen Felder der Störstellen neutralisieren. Dies kann durch die Bildung eines an die Störstelle gebundenen Exzitons oder durch die Rekombination des Exzitons mit der Störstelle geschehen. Um den mikroskopischen Mechanismus hinter der Neutralisation zu untersuchen, soll die optische Antwort des Probespektrums auf einen Pumpstrahl bei geringen Pumpleistungen sowohl im stationären Zustand als auch zeitaufgelöst vermessen werden. Bei geringer Pumpleistung wird eine Zunahme der Oszillatorstärke des geprobten Zustands erwartet. Anhand des Skalierungsverhaltens der Antwort mit der Hauptquantenzahl n des geprobten Rydbergexzitons können wir das Blockadevolumen der Störstellen bestimmen, innerhalb dessen keine Exzitonen erzeugt werden können. Das Skalierungsverhalten mit der Hauptquantenzahl n des gepumpten Zustands ermöglicht es uns, die genaue Art der zugrundeliegenden Wechselwirkung zu bestimmen. Durch zeitaufgelöste Anregung und Detektion sollen die Zeitskalen der Neutralisation sowie der anschließenden Reionisierung der Störstellen erschlossen werden. Ein tieferes Verständnis der Wechselwirkung zwischen Rydbergexzitonen und geladenen Störstellen ist von fundamentaler Bedeutung, um einen experimentellen Zugang zu Rydbergexzitonen mit höheren Hauptquantenzahlen und Fourier-limitierten Linienbreiten in Cu2O, aber auch in anderen Materialien, wie zum Beispiel TMDCs, zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Julian Heckoetter