US: Wissenschaftler entdecken erstmals Higgs-Modus in einem Halbleiter

Wissenschaftler wissen, dass bestimmte Eingriffe diese zufllige Bewegung in eine koordinierte, synchronisierte Bewegung umwandeln knnen. Gemeinsam erzeugen diese Schwingungen einen Ton, der als Phonon bezeichnet wird.

Durch die Einstellung einen Weg gefunden, die Struktur und das Verhalten am ANL nutzten Licht, um die Phonon-Aktivität in einem Halbleitermaterial namens Metallhalogenid-Perowskiten zu verändern. Diese Materialien sind für die Entwicklung der nächsten Generation, fortschrittlicher Sensortechnik und Quantentechnologien.

Während eines ihrer Experimente, bei dem Wissenschaftler einen zweidimensionalen Perowskit-Kristall ultrakurzen Laserimpulsen aussetzten, stellten sie eine komplexe und schwer fassbare Schwingungsart fest, die die Symmetrie des Kristalls selbst moduliert. Dies wird als Higgs-Modus bezeichnet.

Was die Studie zeigt

Im Laufe der Geschichte haben Forscher mathematische Analogien des Higgs-Modus in verschiedenen Materialien entdeckt: den Higgs-Boson in der Teilchenphysik oder den in der Supraleitung, der es ermöglicht, dass Strom durch ein Material ohne Widerstand fließt.

Der Higgs-Modus ist eine Oszillation in einem System, die einen bestimmten Grad an Symmetrie oder Ordnung aufweist. Er tritt typischerweise auf, wenn ein System eine Phasenübergang durch ein Phänomen namens spontane Symmetriebrechung durchläuft.

Anlsslich dieser Beobachtung haben Forscher des ANL zum ersten Mal den Higgs-Modus in einem Halbleitermaterial nachgewiesen. Die Wissenschaftler arbeiteten mit Butylammoniumbleijodid, einem Metallhalogenid-Perowskit, der zur Herstellung wird.

Was die Studie zeigt

Die Erfassung des Higgs-Modus ermglichte es den Forschern, ihre Bandlcken einzustellen und damit die Materialien fr Anwendungen in Solarzellen besser zu optimieren. Die Bandlcken eines Halbleitermaterials bestimmen, welche Lichtfrequenzen dieser absorbiert, um in einer Solarzellen Strom zu erzeugen, und welche Frequenzen er streut.

In ihren Experimenten begannen bei Bestrahlung des Halbleiters mit ultrakurzen Laserpulsen kleine Atomgruppen darin zu oszillieren. Die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen dieser oszillierenden Atome vernderten zudem deren Winkel.

Interessanterweise fhrte dies ebenfalls zu einer nderung der Bandlcke des Materials. „Wir stellten fest, dass die Bandlücke periodisch und schnell zunahm und abnahm", sagte Richard Schaller, Wissenschaftler am ANL, der an der Arbeit beteiligt war. „Im Wesentlichen oszillierte die Farbe der Probe, während sie durch verschiedene Kristallsymmetrien schwenkte – sie wurde immer wieder rötlicher und dann blauer." Die Forscher stellten zudem fest, dass dieser Higgs-Modus das Kristallgitter in eine Phase lenkt, die durch Erhitzen nicht erreicht werden kann.

Dies zeigt, dass die lichtbasierte Anregung wärmebasierten Anregung unterscheidet und damit einen neuen Weg zur Erforschung -eigenschaften eröffnet. „Wenn wir Licht nutzen können, um strukturelle und elektronische Veränderungen in Materialien auf ultrakurzen Zeitskalen zu steuern, könnten sie als optische Schalter in modernen Mikroelektronik- und Quantentechnologien Anwendung finden", fügte Ayushi Shukla, Postdoktorandin am ANL, in einer Pressemitteilung hinzu. „Somit könnten die Stabilisierung neuartiger Phasen mit hoher Symmetrie und kleinen Bandlücken spannende Möglichkeiten für photovoltaische Anwendungen eröffnen." Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.