Quanten-Tanz von Exzitonen und Phononen in Perowskit-Nanokristallen beobachtet
Im internationalen Austausch haben Forschende der TU Dortmund einen wichtigen Fortschritt im Verständnis der Quantendynamik in Halbleitermaterialien erzielt. In Perowskit-Nanokristallen konnten die Wissenschaftler erstmals direkt beobachten, wie sich Exzitonen und Phononen gemeinsam kohärent wechselwirken – ein synchronisierter „Quanten-Tanz“ zwischen elektronischer Anregung und Gitterschwingung. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.
Exzitonen entstehen in Halbleitern, wenn ein Lichtquant ein Elektron in einen angeregten Zustand hebt und dadurch ein positiv geladenes „Loch“ zurückbleibt. Beide Teilchen bilden aufgrund ihrer Coulomb-Anziehung einen quasiteilchenartigen Zustand und bewegen sich gemeinsam durch den Kristall. Hingegen sind Phononen die Quanten der Gitterschwingungen eines Kristalls. In Perowskit-Nanokristallen, die nur wenige Nanometer groß sind, werden diese Anregungen räumlich stark eingeschlossen. Dadurch entsteht eine besonders starke Kopplung zwischen Exzitonen und Phononen. Das optische Anregen mit ultrakurzen Laserpulsen führt zu einem gemeinsamen quantenmechanischen Zustand – einem sogenannten exzitonischen Polaron.
Die Experimente zeigen, dass diese gekoppelten Zustände bei sehr tiefen Temperaturen von etwa 2 Kelvin über mehrere Pikosekunden hinweg kohärent bleiben. Mit Femtosekunden-Laserpulsen und der Zwei-Puls-Photonenecho-Technik konnte das Team der TU Dortmund Universität die zeitliche Entwicklung dieser Zustände direkt verfolgen (siehe Abbildung 1). Dabei wurden ausgeprägte Quantenschwebungen beobachtet, die aus der kohärenten Überlagerung verschiedener Zustände entstehen und die Energieaustauschprozesse zwischen Exziton und Phonon sichtbar machen. Das kann man sich wie einen quantenmechanischen „Tanz“ zwischen Exziton und Phonon vorstellen. Die beiden Tanzpartner bewegen sich dabei nicht unabhängig voneinander, sondern schreiten im Perowskit-Nanokristall perfekt synchronisiert und kohärent voran (siehe Abbildung 2). Dadurch wird ein direkter Einblick in das Zusammenspiel lichtinduzierter elektronischer Anregungen und der Schwingungen des Kristallgitters vermittelt.
Bemerkenswert ist die lange Kohärenzzeit sowie die starke Ausprägung dieser Oszillationen, die in dieser Form in anderen Festkörpersystemen bisher nicht zugänglich war. In Zusammenarbeit mit theoretischen Gruppen der TU Dortmund und der Jackson State University konnte zudem gezeigt werden, dass sich die Kopplungsstärke durch die Größe der Nanokristalle gezielt einstellen lässt: kleinere Kristalle führen zu stärkerer Kopplung, größere zu längerer Kohärenz.
Die Ergebnisse machen Perowskit-Nanokristalle zu einer vielversprechenden Plattform für zukünftige Quantentechnologien. Dazu gehören neue Konzepte für Halbleiter-basierte Quantensysteme, Quantenlichtquellen sowie die gezielte Erzeugung einzelner Phononen. Gleichzeitig zeigt die Arbeit, dass Gitterschwingungen nicht nur eine Quelle von Dekohärenz sind, sondern gezielt als quantenmechanische Ressource genutzt werden können.
Kontaktperson ilja.akimov@tu-dortmund.de
Veröffentlichung vom 26. Mai 2026: https://www.nature.com/articles/s41467-026-73506-1
