Zufallsfund im Kristall: Forscher haben bei Modellversuchen eine neue Art von Quasiteilchen entdeckt. Das sogenannte Pi-ton entsteht in durch Licht angeregten Feststoffen und besteht aus zwei Elektronen und zwei Leerstellen im Kristallgitter. Modellversuche legen nahe, dass diese exotischen Bindungszustände in verschiedenen festen Materialien vorkommen könnten. Ein experimenteller Nachweis steht allerdings noch aus.
Die „Familie“ der bekannten Elementarteilchen umfasst neben den Bausteinen der Materie – Protonen, Neutronen und Elektronen – noch eine ganze Reihe anderer, teils exotischer Teilchen – von den fast masselosen Neutrinos bis zum berühmten Higgs-Boson. Doch zusätzlich gibt es noch sogenannte Quasiteilchen – exotische, oft kurzlebige Zustände, bei denen mehrere Teilchen oder Leerstellen in einem Kristallgitter verkoppelt sind.
Vom Loch zum komplexen Quasiteilchen
„Das einfachste Quasiteilchen ist ein Loch“, erklärt Seniorautor Karsten Held von der Technischen Universität Wien. Diese Löcher können beispielsweise entstehen, wenn in einem Kristallgitter an einem Atom ein Elektron fehlt. Es entsteht eine Lücke mit positiver Ladung, die sich durch das Gitter bewegen kann. Das Verhalten einer solchen Leerstelle folgt dabei ähnlichen physikalischen Regeln wie ein normales Teilchen. Im Unterschied zu diesen kann ein Quasiteilchen aber nicht isoliert existieren.
Dies gilt auch für komplexere Quasiteilchen wie die Exzitonen. Diese für Halbleiter typischen Quasiteilchen bestehen aus einem Elektron und einem Loch, die durch die Anregung mit Licht eine Bindung eingehen. „Solche Exzitonen wollten wir eigentlich untersuchen“, sagt Erstautorin Anna Kauch von der TU Wien. „Wir entwickelten Computersimulationen, mit denen man Effekte in Festkörpern quantenphysikalisch genau berechnen kann.“
