Auf der Quanten-Welle surfen: Quasiteilchen zeigen magneto-optisches Transportphäno­men

Ein Dresdner Forschungsteam des Exzellenzclusters ctd.qmat hat ein neues Transportphänomen entdeckt: Leuchtende Quasiteilchen können in Quantenmaterialien von magnetischen Anregungen – sogenannten Spin-Wellen – mitgenommen und sogar ultraschnell beschleunigt werden. Für ihre Entdeckung untersuchten die Forschenden die nur wenige Atomlagen dünnen Kristallschichten des antiferromagnetischen Halbleiters Chromium-Schwefel-Bromid. Mit diesem neuen Quantenphänomen ist die Hoffnung auf neuartige magneto-optische Anwendungen verbunden. Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Exzitonen werden in Materialwissenschaft und Informationstechnologie als Lichtspeicher diskutiert. Die leuchtenden Quasiteilchen bewegen sich durch einzelne Schichten von Quantenmaterialien und können Licht hocheffizient aufnehmen und abgeben. Sie entstehen, wenn der Lichtimpuls von einem Laser ein Elektron anregt und dabei ein positiv geladenes „Loch“ hinterlässt. Elektron und Loch ziehen sich gegenseitig an und verhalten sich gemeinsam wie ein neues, eigenständiges Teilchen. In dem Moment, in dem das Quasiteilchen wieder zerfällt, leuchtet es und kann in Hightech-Laboren gemessen werden.

Seit mehr als zehn Jahren werden Exzitonen in ultradünnen Quantenmaterialien intensiv erforscht, unter anderem von Alexey Chernikov und seinem Team. Im Exzellenzcluster ctd.qmat – Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien der Universitäten Würzburg und Dresden hat Chernikov gemeinsam mit einem internationalen Forschungsteam am Standort Dresden nun eine überraschende Entdeckung gemacht: Exzitonen können von den magnetischen Anregungen eines Quantenmaterials mitgenommen und dadurch sogar ultraschnell beschleunigt werden:

„Dass die Bewegung optischer Teilchen magnetisch beeinflusst werden kann, ist neu. Bisher wusste man nur, dass der Transport von Elektronen durch die magnetische Ordnung in einem Quantenmaterial gesteuert werden kann. Manche Sensoren im Smartphone funktionieren zum Beispiel so. Die neuentdeckte Verbindung von Optik und Magnetismus kann ganz neue technologische Möglichkeiten eröffnen“, erklärt Florian Dirnberger, Leiter einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an der TU München und zuvor als Postdoc an der Professur für Ultraschnelle Mikroskopie und Photonik von Alexey Chernikov für die Durchführung des Forschungsprojektes verantwortlich.

Spin-Wellen ermöglichen ultraschnellen Transport
Der antiferromagnetische Halbleiter Chromium-Schwefel-Bromid (CrSBr) wird bei -141,15 Grad Celsius magnetisch. Dann fangen die Elektronen im Inneren des Materials an zu wackeln und versuchen, sich parallel auszurichten. Das untersuchte Material besteht aus zwei unabhängigen, ultradünnen Schichten. Die gemeinsame Ausrichtung der magnetischen Momente – sogenannter Spins – variiert von Materialschicht zu Materialschicht. „Wenn wir das gekühlte Material mit einem Laserpuls anregen, fangen die Elektronen-Spins an zu schwingen und bewegen sich wellenförmig nach außen – so als würde man einen Stein in einen See werfen“, vergleicht Sophia Terres, Doktorandin von Alexey Chernikov und mitverantwortlich für die Experimente.

Als das Forschungsteam das Quantenmaterial mit hochsensitiver Spektroskopie im Hightech-Labor untersuchte, machten sie eine bemerkenswerte Entdeckung: Die Exzitonen bewegten sich nicht – wie üblich – zufällig durch das Material, sondern wurden von den Spin-Wellen getragen: „Die leuchtenden Quasiteilchen surfen auf den Spin-Wellen, was sie sogar extrem beschleunigt. Wir haben noch nie eine so schnelle Exzitonen-Bewegung gemessen“, so Terres.

Nachdem überhaupt erst vor etwa fünf Jahren entdeckt wurde, dass Exzitonen in dem antiferromagnetischen Halbleiter CrSBr entstehen können, hat die vorliegende Arbeit ein zusätzliches, vollkommen neues Phänomen nachgewiesen: Der Transport von Exzitonen hängt von der magnetischen Ordnung des Halbleiters ab. Dieser Zusammenhang wurde von dem ctd.qmat-Forschungsteam erstmals in einem Quantenmaterial entdeckt.

Magneto-Optik wird möglich
Der experimentelle Nachweis von Chernikov und seinem Team könnte in Zukunft magneto-optische Quantentechnologien möglich machen. Bisher sind elektro-magnetische Anwendungen Standard in Industrie, Elektronik, Kommunikation und Mobilität. Wenn optische Anregungen – wie zum Beispiel Exzitonen – magnetisch gesteuert werden können, könnte das für Hybrid-Technologien interessant sein: „Schaltkreise, die auf Licht basieren, sind schneller und transportieren Informationen verlustfreier als aktuelle Technologien“, erklärt Dirnberger. „Jetzt wissen wir, dass optische Bauelemente magnetisch gesteuert werden könnten – das ist eine spannende neue Perspektive für Zukunftstechnologien und könnte der Spintronik in den nächsten Jahren viel Aufwind geben.“

Download Illustration & Animation (ohne Musik):
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YouTube (mit Musik): https://youtu.be/Evl4EoWuE2I
© Kilian Neddermeyer
Bildunterschrift: Quasiteilchen surfen auf magnetischen Wellen: Wenn ein Laserpuls auf eine Materialschicht trifft, entstehen Exzitonen, die sich dann als Elektron-Loch-Paar durch die Schicht bewegen. Ihre Bewegung wird gesteuert und beschleunigt durch die magnetische Ausrichtung der Spins (Dreieckspitzen) in den Materialschichten, die wellenförmig ist.

Publikation
Exciton transport driven by spin excitations in an antiferromagnet; Florian Dirnberger, Sophia Terres, Zakhar A. Iakovlev, Kseniia Mosina, Zdenek Sofer, Akashdeep Kamra, Mikhail M. Glazov & Alexey Chernikov; Nature Nanotechnology 21, 65–70 (2026), https://doi.org/10.1038/s41565-025-02068-y.

ctd.qmat
Das Exzellenzcluster ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter (Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien) der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der Technischen Universität Dresden erforscht und entwickelt neuartige Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Etwa 300 Wissenschaftler:innen aus mehr als 30 Ländern entwerfen an der Schnittstelle von Physik, Chemie und Materialwissenschaften die Grundlagen für die Technologien der Zukunft. 2026 ist das Cluster in die 2. Förderperiode der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gestartet – mit erweitertem Fokus auf die Dynamik von Quantenprozessen.

Kontakt
Prof. Alexey Chernikov
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Dresden
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Tel: +49 351 463 336439

Katja Lesser
Pressesprecherin & Leitung Kommunikation
Exzellenzcluster ctd.qmat
Tel: +49 351 4633 3496
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