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Wenn die Physik keine Erklärungen hat: Halbleiter überrascht mit unerklärlichem Verhalten

Ein Musterknabe benimmt sich daneben, und keiner weiß, warum: Marburger Physiker sind beim Experimentieren mit Halbleitern auf ein abweichendes Verhalten gestoßen, das sich nicht mit den bekannten physikalischen Mechanismen erklären lässt.

Markus Stein bereitet das Experiment vor, das die ungewöhnlichen Eigenschaften des verwendeten Halbleiters zutage förderte. Bildquelle: © Rolf Wegs

Markus Stein bereitet das Experiment vor, das die ungewöhnlichen Eigenschaften des verwendeten Halbleiters zutage förderte.

Leuchtdioden und viele andere optoelektronische Bauelemente, die wir tagtäglich verwenden, enthalten Halbleiterquantenfilme, das sind dünne Schichten, die zwischen anderen Materialien eingebettet sind. »Lichtteilchen können von diesen Nanoschichten absorbiert werden«, erläutert der Marburger Physikdoktorand Markus Stein, Erstautor des aktuellen Fachaufsatzes (Physical Review Letters). Dabei gibt es Absorptionslinien, also Wellenlängen bei denen die elektromagnetische Strahlung besonders gut absorbiert wird. »Es ist seit langem bekannt, dass diese Linien schwächer und breiter werden, wenn man das Halbleitermaterial bestrahlt«, führt Stein aus.

Der Nachwuchswissenschaftler fand nun heraus, dass die Linien unter bestimmten Bedingungen auch stärker und schmaler werden können. »Das ist ein für uns völlig unerwarteter Effekt«, sagt Professor Dr. Martin Koch, der die Marburger Arbeitsgruppe Halbleiterphotonik leitet, in der Stein derzeit seine Doktorarbeit anfertigt: »Alle Erklärungsversuche auf der Grundlage bekannter physikalischer Mechanismen versagen.«

Für seine Experimente verwendete Stein Material, das die Arbeitsgruppe Halbleiterepitaxie herstellt hat, die von Professor Dr. Wolfgang Stolz geleitet wird. Die Proben enthalten Quantenfilme, die Stein mit einem kurzen Laserpuls anregte, der nach etwa einer Nanosekunde zur einer verstärkten Absorption führte.

Die untersuchten Halbleiter taugen als Muster für Materialsysteme, bei denen eine räumliche Ladungsübertragung stattfindet, was zum Beispiel für das Funktionieren von Solarzellen unerlässlich ist. Daher vermutet Koch, dass die Fachwelt das neue Phänomen zum Anlass nimmt, um weitere Experimente durchzuführen und die Befunde theoretisch zu erklären. Technische Anwendungen sind nicht auszuschließen, liegen aber einstweilen noch in ferner Zukunft. (me)