18.11.2025 (wm/red) Wie Gitterschwingungen den Übergang von ultraschnellem zu langsamem Lichttransport in zweidimensionalen Halbleitern steuern, zeigt eine neue Studie von Marburger Physikern. Es geht um die Bewegung von Licht-Materie-Teilchen in Materialien, die aus nur einer einzigen Atomlage bestehen, wird erläutert. Ein Team um den Physiker Prof. Dr. Ermin Malic von der Philipps-Universität hat erstmals eine mikroskopische Beschreibung des Exziton-Polaritonen-Transports in solchen zweidimensionalen Halbleitern entwickelt und veröffentlicht.

Die Forscher zeigen, dass diese hybriden Licht-Materie-Teilchen drei unterschiedliche Bewegungsphasen durchlaufen: zunächst einen blitzschnellen, ballistischen Transport, gefolgt von einer superdiffusiven Übergangsphase und schließlich einer langsamen, exziton-dominierten Diffusion. Entscheidend dabei sind Gitterschwingungen (Phononen), die den Übergang zwischen diesen Phasen steuern und damit den Energiefluss im Material prägen.
Die Forscher berichten darüber in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science Advances.

 Exzitonen entstehen, wenn ein Elektron durch Licht in einen höheren Zustand angeregt wird und ein positiv geladenes Loch zurücklässt – gemeinsam bilden sie ein gebundenes Teilchenpaar, nämlich das Exziton. Koppeln diese Exzitonen in einer optischen Mikrokavität mit Licht, entstehen sogenannte Exciton-Polaritonen, die sich deutlich schneller bewegen können als reine Materieteilchen.

„Unsere Berechnungen zeigen erstmals im Detail, wie Phononen – also Gitterschwingungen – diesen Prozess kontrollieren und wie sich dadurch die Geschwindigkeit und Richtung des Lichttransports gezielt beeinflussen lassen“, erklärt Dr. Jamie Fitzgerald, der Erstautor und Postdoc in der Forschungsgruppe „Ultraschnelle Quantendynamik“, geleitet von Ermin Malic, Professor für Theoretische Physik an der Philipps-Universität.

Wechselwirkungen zwischen Lichtteilchen, Exzitonen und Phononen

Für ihre Untersuchung nutzten die Forscher aufwändige numerische Simulationen, die auf der Lösung der Boltzmann-Transportgleichung für Exziton-Polaritonen beruhen. Dabei wurden sämtliche relevanten Wechselwirkungen zwischen Lichtteilchen, Exzitonen und Phononen mikroskopisch genau berücksichtigt – inklusive der sonst oft vernachlässigten, sogenannten „dunklen“ Exzitonzustände.

Das Team fokussierte sich auf MoSe₂-Monolagen, die in einer Fabry-Pérot-Mikrokavität eingeschlossen sind. Auf diese Weise gelang es, experimentell
relevante Bedingungen am Computer exakt nachzubilden und die Propagation der Licht-Materie-Quasiteilchen im Pikosekundenbereich* vorherzusagen.

Bedeutung der Ergebnisse für lichtbasierte Informationstechnologie

Die Ergebnisse liefern ein fundamentales Verständnis für den Lichttransport in atomar dünnen Materialien und könnten künftig helfen, energieeffiziente optoelektronische Bauelemente wie photonische Schaltkreise oder neuartige Sensoren zu entwickeln. Das theoretische Modell der Marburger Forscher schafft damit die Grundlage, um in Zukunft Lichtsignale auf der Nanoskala gezielt zu steuern – „ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu ultrakompakter, lichtbasierter Informationstechnologie“, kommentiert Malic.

Originalpublikation: https://doi.org/10.1126/sciadv.aea3495

* Zeiteinheit Pikosekunde: ein Billionstel einer Sekunde