Presseinformation: Der Blick ins Dunkle
Nr. 15 - 29.01.2025
Internationales Forschungsteam entwickelt neues Verfahren zur Betrachtung dunkler Exzitonen
(pug) Wie lassen sich zum Beispiel Solarzellen verbessern? Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Göttingen hilft bei dieser Frage mit einer neuen Technik: Erstmals lässt sich die Entstehung winziger, schwer nachweisbarer Teilchen – sogenannter dunkler Exzitonen – zeitlich und räumlich genau verfolgen. Diese unsichtbaren Energieträger spielen eine Schlüsselrolle in zukünftigen Solarzellen, LEDs und Detektoren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Dunkle Exzitonen sind winzige Paare aus Elektronen und deren Löcher, die sie hinterlassen, wenn sie angeregt werden. Sie tragen Energie, können aber kein Licht abgeben (daher der Name „Dunkel“). Man kann sie sich vorstellen wie einen Luftballon (das Elektron), der wegfliegt und einen leeren Platz hinterlässt (das Loch), mit dem er verbunden bleibt (durch die sogenannte Coulomb-Wechselwirkung). Forschende sprechen von schwer nachweisbaren Teilchenzuständen, die in atomar dünnen, zweidimensionalen Strukturen in speziellen Metallverbindungen wichtig sind.
In einer früheren Publikation konnte die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Stefan Mathias vom I. Physikalischen Institut der Universität Göttingen zeigen, wie diese dunklen Exzitonen in unvorstellbar kurzer Zeit entstehen und ihre Dynamik mit Hilfe einer quantenmechanischen Theorie beschreiben. In der aktuellen Forschungsarbeit hat das Team nun eine Technik neu entwickelt und erstmalig eingesetzt: Die sogenannte „Ultraschnelle Dunkel-Feld-Impulsmikroskopie“ („Ultrafast Dark-field Momentum Microscopy“). So konnten sie zeigen, wie dunkle Exzitonen in einer speziellen Materialstruktur aus Wolframdiselenid (WSe₂) und Molybdändisulfid (MoS₂) entstehen – und das auf einer beeindruckenden Zeitskala von nur 55 Femtosekunden (0,000000000000055 Sekunden) und einer präzisen Auflösung von 480 Nanometern (0,00000048 Meter).
„Mithilfe dieser Methode können wir die Dynamik von Ladungsträgern präzise sichtbar machen“, erklärt Erstautor Dr. David Schmitt vom I. Physikalischen Institut. „Die Ergebnisse liefern einen fundamentalen Einblick, wie die Eigenschaften der Probe die Bewegung der Ladungsträger beeinflussen. Somit kann diese Technik in Zukunft verwendet werden, um gezielt die Qualität und damit auch die Effizienz von beispielsweise Solarzellen zu verbessern.“ Dr. Marcel Reutzel, Nachwuchsgruppenleiter in der Arbeitsgruppe von Mathias, ergänzt: „Damit ist diese Technik nicht nur für diese speziellen Systeme anwendbar, sondern auch für die Erforschung von neuartigen Materialien.“
Die Forschung wurde unterstützt von den DFG-geförderten Sonderforschungsbereichen „Kontrolle von Energiewandlung auf atomaren Skalen“ und „Mathematik des Experiments“ in Göttingen sowie dem Sonderforschungsbereich „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ in Marburg.
Originalveröffentlichung: David Schmitt et al. Ultrafast nano-imaging of dark excitons. Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-024-01568-y
Kontakt:
Dr. Marcel Reutzel
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik
I. Physikalisches Institut
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon: 0551 39-27620
E-Mail: marcel.reutzel@phys.uni-goettingen.de
Prof. Dr. Stefan Mathias
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik
I. Physikalisches Institut
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon: 0551 39-27601
E-Mail: smathias@uni-goettingen.de
Internet: www.mathiaslab.uni-goettingen.de