Wiener Forscher prognostizieren Quasiteilchen „Pi-Ton“

Kollektive Anregungen mehrerer Teilchen werden in der Physik oft als Quasiteilchen beschrieben. Physiker der Technischen Universität (TU) Wien haben nun per Computersimulation die Existenz eines solchen Teilchens vorhergesagt, das in Zukunft Solarzellen effektiver machen könnte. Ihre Ergebnisse präsentieren die Forscher im Fachjournal „Physical Review Letters“.

Im Gegensatz zu einzelnen Elementarteilchen wie Protonen oder Elektronen, die sich nach Belieben durch den Raum bewegen können, existieren Quasiteilchen wie das nun gefundene „Pi-ton“ nur im Inneren von Festkörpern. Solche quantenmechanischen Objekte bestehen zwar aus mehreren, miteinander wechselwirkenden Teilchen. Ihr kollektiver Zustand wird aber so beschrieben, als würden sie gemeinsam ein neues Teilchen bilden. Ähnlich wie bei der Ausbreitung einer Welle im Wasser sind es dabei nicht die einzelnen Teilchen, die sich fortbewegen, sondern ihre gemeinsame Anregung.

In Festkörper

Neben den Phononen, die als quantisierte Gitterschwingungen für den Wärmetransport in Kristallen verantwortlich sind, gelten Exzitonen als die wichtigsten Quasiteilchen in einem Festkörper. Sie bestehen aus einem Elektron und einem Loch, also einer Position, an der im Material ein Elektron fehlt. Da sie durch auftreffendes Licht angeregt werden, spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Kopplung von Licht und elektrischem Strom und sind damit auch in der Photovoltaik von großer Bedeutung.

Bei der Untersuchung solcher Exzitonen sind die Forscher um Karsten Held vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien nun auf ein neues, komplexeres Quasiteilchen gestoßen. Genau wie das Exziton wird es durch Licht angeregt, besteht allerdings aus zwei Elektronen und zwei Löchern. Den Berechnungen der Physiker zufolge, sollte es in speziellen Materialien existieren, deren lokale Eigenschaften einem Schachbrett gleichen und sich von einem Gitterplatz zum nächsten ändern.

Vorhersagen eindeutig

„Wir haben verschiedene physikalische Modelle zur Berechnung genutzt und die Vorhersagen sind eindeutig“, sagt Held gegenüber der APA. Die experimentelle Bestätigung steht zwar noch aus, doch haben Held und sein Team bereits Kontakt mit anderen Forschungsgruppen aufgenommen, um gemeinsam die entsprechenden Experimente durchzuführen. „Die größte Schwierigkeit besteht darin, das Pi-ton experimentell von einem gewöhnlichen Exziton zu unterscheiden“, sagt Held. „Wir sind aber zuversichtlich, dass uns das bald gelingen wird.“

Sollten sich die Vorhersagen der Wiener Forscher bestätigen, wäre das nicht bloß von akademischem Interesse. So basiert etwa die Photovoltaik bisher auf der Anregung von einzelnen Elektron-Loch-Paaren durch Sonnenlicht. „Das Pi-ton mit zwei Elektron-Loch-Paaren hätte theoretisch das Potenzial, einen größeren Teil der im Licht enthaltenen Energie in elektrischen Strom umzuwandeln“, sagt Held. Damit bestünde die Möglichkeit, das bestehende, theoretische Limit für die Effizienz von Solarzellen auf Siliziumbasis zu durchbrechen.