Regensburg, 8.10.2026. Forschende der Universität Regensburg und weiterer Institutionen haben gezeigt, dass sich Bose-Einstein-Kondensate in Halbleitern über Magnetismus steuern lassen. Im Mittelpunkt stehen Exziton-Polaritonen – Mischzustände aus Elektron-Loch-Paaren, den Exzitonen, und Lichtfeldern in einem Resonator.

Diese Teilchen besitzen eine geringere effektive Masse als Exzitonen und lassen sich durch Laserimpulse anregen. Ihre Kondensation ist bei moderaten Temperaturen möglich, teils sogar ohne aufwändige Kühlung. Dabei entsteht ein makroskopischer Quantenzustand, der kohärentes Licht aussendet. Das macht solche Kondensate für Quantenkommunikation, Quantenoptik und Quantencomputing interessant.

Ein magnetischer Käfig für Licht und Materie

Das internationale Team um Rupert Huber, Fabian Mooshammer und Jan Wilhelm von der Universität Regensburg, Florian Dirnberger von der TU München sowie Zdeněk Sofer von der Universität für Chemie und Technologie Prag arbeitete mit dem magnetischen Schichthalbleiter Chrom-Sulfid-Bromid, kurz CrSBr.

CrSBr besteht aus atomar dünnen Schichten. Innerhalb einer Schicht sind die Elektronenspins gleich ausgerichtet, benachbarte Schichten weisen dagegen entgegengesetzte Spinrichtungen auf. Der Spin erzeugt ein magnetisches Dipolmoment und bestimmt damit die Magnetisierungsrichtung. Ohne äußeres Magnetfeld bilden die gegensätzlichen Spins benachbarter Schichten einen „magnetischen Käfig“, der Exzitonen in ihrer jeweiligen Schicht hält.

Zunächst regten die Forschenden CrSBr-Strukturen mit ultrakurzen Laserimpulsen an. Als die Teilchendichte stieg, erreichten die Exziton-Polaritonen die Kondensationsschwelle und begannen, im gemeinsamen Takt zu schwingen. Die Intensität des ausgesandten Lichts sprang dabei um mehr als das Hundertfache nach oben. Geordnete, kohärente Lichtwellen bestätigten die Kondensation.

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Danach kam ein äußeres Magnetfeld ins Spiel. Es richtet die Spins zunehmend gleich aus und bricht den magnetischen Käfig auf. Dadurch verändern sich die Eigenschaften der Exziton-Polaritonen, vor allem ihre Energie. Mit zunehmendem Magnetfeld verschob sich deshalb die Energie des vom Kondensat ausgesandten Lichts. Moderate Magnetfelder ermöglichten laut den Forschenden eine bis zu zehnmal größere Energieverschiebung als frühere Ansätze, die unter anderem elektrische Spannungen nutzten.

Quantenlicht im Kryostaten

Zusätzliche Details liefert ein Forschungsartikel von Bo Han, Hangyong Shan, Kok Wee Song, Meng Sun, Andrei Bulavin, Ivan G. Savenko, Martin Esmann, Marti Struve, Vita Solovyeva, Lukas Lackner, Falk Eilenberger, Jakub Regner, Zdeněk Sofer, Oleksandr Kyriienko und Christian Schneider. Der Beitrag wurde am 30. Januar 2025 eingereicht und zuletzt am 23. Dezember 2025 überarbeitet. Die erste Version, v1, hatte eine Dateigröße von 8.963 KB; v2 umfasste 8.954 KB.

In ihrer Arbeit untersuchten die Forschenden CrSBr als halbleitendes Van-der-Waals-Material, in dem sich Licht, Magnonen und Exzitonen gemeinsam auf Quantenebene betrachten lassen. Dafür betteten sie einen CrSBr-Flake in eine vollständig abstimmbare, kryogene offene optische Kavität ein. In diesem Aufbau erzeugten sie eine makroskopische kohärente Quantenzustandsphase: ein Bose-Einstein-Kondensat von Exziton-Polaritonen.

Das Kondensat entstand schwellenartig und zeigte ein stark nichtlineares Verhalten. Seine Kohärenz wiesen die Forschenden anhand von Quantenkorrelationen erster und zweiter Ordnung nach. Zugleich reagierte die Nichtlinearität deutlich auf die magnetische Ordnung in CrSBr: Beim Übergang von der intrinsischen antiferromagnetischen Ordnung zu einer erzwungenen ferromagnetischen Ordnung wechselte die Wechselwirkung der Kondensatteilchen vom anziehenden zum abstoßenden Charakter.

Vom Magnetfeld zur Mikrowelle

Die Ergebnisse verbinden ausgedehnte Quantenzustände mit der magnetischen Ordnung eines Materials. Künftig könnte das emittierte Licht direkt an magnetische Zustände gekoppelt und auf sehr kurzen Zeitskalen beeinflusst werden. Auch Mikrowellenstrahlung kommt als Werkzeug infrage, um die magnetische Ordnung gezielt zu verändern.

Daraus ergeben sich mögliche Anwendungen für die Integration in magnetische Speicher und für die effiziente Umwandlung von Mikrowellenstrahlung in optische Signale. Der Ansatz eröffnet außerdem eine Perspektive auf magnetisch steuerbare Quantenlichtflüssigkeiten und optomagnonische Bauelemente, in denen Spinmagnetismus mit integrierten Bose-Einstein-Kondensaten gekoppelt wird. Das klingt nach ziemlich viel Physik auf ziemlich wenig Material – und genau darin liegt der Reiz dieser atomar dünnen Schichten.

Die Studie wurde in Nature Materials veröffentlicht: „Magnetic control of an exciton–polariton condensate in a van der Waals magnet“, DOI: 10.1038/s41563-026-02751-y.

Quelle 1: Universität Regensburg und weitere Institutionen
Quelle 2: Forschungsartikel auf arXiv