An der Technischen Universität München (TUM) ist gemeinsam mit der Universität Regensburg ein ungewöhnlicher Quantenzustand in einem magnetischen Halbleiter entstanden: ein Bose-Einstein-Kondensat aus Licht und Materie. Untersucht wurde das Material am Standort München in hauchdünnen Kristallstrukturen aus Chrom-Sulfid-Bromid, kurz CrSBr. Heute, am 9.10.2026, steht fest: Die Licht-Materie-Mischung lässt sich nicht nur erzeugen, sondern auch mit Magnetfeldern in ihrer Energie und ihren Wechselwirkungen beeinflussen.

CrSBr besteht aus übereinanderliegenden dünnen Schichten und ist antiferromagnetisch geordnet. Innerhalb einer Schicht zeigen die Elektronenspins parallel, zwischen benachbarten Schichten jedoch in entgegengesetzte Richtungen. In schmalen Kristallstreifen zwischen zwei Spiegeln bildeten sich optische Resonatoren. Dort trafen Lichtfelder auf Exzitonen – Elektron-Loch-Paare. Aus beiden entstanden Exziton-Polaritonen, Quasiteilchen mit sehr geringer effektiver Masse, die denselben quantenmechanischen Zustand einnehmen können.

Wenn das Licht plötzlich überproportional heller wird

Mit ultrakurzen Laserpulsen regten die Forschenden die Polaritonen an und analysierten die ausgesandte Strahlung. Ab einer bestimmten Anregungsstärke kippte das Bild: Bei einer etwa dreifach höheren eingestrahlten Energiedichte nahm die Emission um mehr als das Hundertfache zu. Gleichzeitig verengte sich die Spektrallinie von 19 auf 8,7 Millielektronenvolt.

Interferenzmessungen zeigten außerdem, dass die Lichtwellen räumlich und zeitlich zunehmend kohärent wurden. Der sprunghafte Intensitätsanstieg zusammen mit dieser wachsenden Kohärenz gilt als Nachweis für die Bildung des Kondensats. Die Kondensation und Kohärenz wurden bei fünf Kelvin untersucht, die magnetische Steuerung bei zehn Kelvin – also nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. Ohne aufwendige Kühlung geht hier nichts.

Ein senkrecht zu den Kristallschichten angelegtes äußeres Magnetfeld richtete die magnetischen Momente zunehmend parallel aus. Dadurch veränderten sich die Eigenschaften der Exziton-Polaritonen und die Energie des vom Kondensat ausgesandten Lichts. Bei zwei Tesla ließ sich diese Lichtenergie um bis zu 10,5 Millielektronenvolt verschieben. Nach Angaben der Forschenden lag der Grund in der Umordnung der Elektronenspins im Kristall, nicht bloß in einer Veränderung des eingestrahlten Laserlichts.

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Das Kondensat bildete sich sowohl ohne Magnetfeld als auch im stark magnetisierten Zustand. Zwischen beiden Zuständen blieb die Energie des ausgesandten Lichts gezielt veränderbar. Moderate Magnetfelder ermöglichen damit laut den Forschenden eine größere Energieverschiebung als frühere Ansätze, die auf elektrischer Spannung beruhten. Eine technische Kopplung an magnetische Schwingungen über Mikrowellen wurde in diesen Experimenten allerdings noch nicht demonstriert.

CrSBr kann mehr als einen Quantentrick

Eine zweite, am 26. Juni 2026 in Light: Science & Applications (Band 15, Artikel 284) veröffentlichte Arbeit nimmt ebenfalls CrSBr in den Blick, setzt aber einen anderen Schwerpunkt: magnetisch steuerbare Kopplungsstärke und Nichtlinearität von Exziton-Polaritonen im zweidimensionalen Van-der-Waals-Magneten. CrSBr verbindet magnetische Ordnung mit starken Licht-Materie-Wechselwirkungen und ist deshalb für Quanten-, Spintronik- und Photonik-Anwendungen interessant.

Dafür stellten die Forschenden durch mechanisches Exfolieren zehn bis mehrere hundert Nanometer dicke CrSBr-Kristalle her und übertrugen sie auf SiO₂/Si-Substrate. Die Grenzflächen der Kristalle wirkten als optische Fabry-Pérot-Kavitäten. Separate Kavitäten waren nicht nötig: Es entstanden selbsthybridisierte Exziton-Polaritonen.

Im Zentrum standen höherenergetische Exzitonen (X_H) bei etwa 1,8 eV. Sie reagieren stark auf Magnetfelder – anders als die bisher untersuchten niederenergetischen Exzitonen (X_L) bei etwa 1,37 eV. Antikreuzungen in Reflexionsspektren belegten die starke Kopplung zwischen (X_H)-Exzitonen und Photonen. Die gemessene Rabi-Aufspaltung lag je nach Messung bei etwa 632 bis 745 meV; aus Reihen verschiedener Kristalldicken ergab sich ein Durchschnittswert von 695 meV. Das ist deutlich mehr als die Dissipationsenergien von Exzitonen und Photonen, die jeweils ungefähr 50 meV betragen.

Die starke Kopplung blieb bis 298 Kelvin bestehen. Bei Raumtemperatur waren wegen phononbedingter Linienverbreiterung allerdings nur zwei Polarisationszweige zu sehen. Ein normiertes Kopplungsmaß von 0,177 deutet auf einen möglichen Übergang in den Bereich der ultrastrong coupling hin. Eindeutige Kennzeichen wie virtuelle Photonen oder der Vakuum-Bloch-Siegert-Shift wurden jedoch nicht beobachtet.

Bei einem in der Ebene angelegten Magnetfeld entlang der leichten magnetischen (b)-Achse blieben die Polaritonenergien bei sechs Kelvin zunächst konstant. Zwischen 0,35 und 0,45 Tesla änderte sich das abrupt: Beim Übergang von antiferromagnetischer Ordnung über eine Zwischenphase zur ferromagnetischen Ordnung kam es zu einer Rotverschiebung. Zugleich sank die Rabi-Aufspaltung von 632 auf 535 meV – eine Änderung von etwa 100 meV. Die entsprechenden (X_L)-Exziton-Polaritonen zeigten bei ihrer Rabi-Aufspaltung dagegen kaum eine magnetische Reaktion.

100 meV unterhalb der (X_H)-Exzitonenergie veränderte die magnetische Steuerung die Lichtgeschwindigkeit um 10,3 Prozent und die effektive Masse um 26,1 Prozent. Die (X_H)-Exzitonenergie selbst verschob sich um etwa 78 meV, bei (X_L)-Exzitonen waren es ungefähr 16 meV. Als Ursache für die stärkere Magnetfeldempfindlichkeit von (X_H) gilt ihre stärker delokalisierte Wellenfunktion, die sich über mehrere Chromatome erstreckt.

Mit steigender Temperatur verschoben sich die Feldgrenzen: Bei 80 Kelvin trat der Spinübergang bereits bei etwa 0,15 bis 0,20 Tesla auf, weil thermische Fluktuationen die ursprüngliche antiferromagnetische Kopplung schwächten. Oberhalb der Néel-Temperatur von Bulk-CrSBr, die bei 132 Kelvin liegt, war das Material bei 150 Kelvin paramagnetisch. Dort verschwand die magnetische Antwort der (X_H)-Exzitonen und ihrer Polaritonen.

Wurde das Feld senkrecht zur Ebene entlang der harten (c)-Achse angelegt, verschoben sich die Polaritonzweige kontinuierlich rotwärts. Oberhalb von etwa einem Tesla verlangsamte sich diese Verschiebung, während sich die Magnetisierung der Sättigung näherte. Die Temperaturabhängigkeit der Rabi-Aufspaltung unterschied sich bei null und einem Tesla ebenfalls deutlich: Die magnetfeldbedingte Modulation von etwa 100 meV bei sechs Kelvin fiel oberhalb von ungefähr 140 Kelvin nahezu auf null.

Transiente Reflexionsmessungen registrierten zudem eine Oszillation mit etwa 25 Gigahertz – passend zur bekannten Magnonfrequenz in CrSBr. Das spricht für eine starke Kopplung von Exzitonen und Magnonen; Phononen mischen ebenfalls mit. Ganz leise ist es in diesem Kristall also nicht, selbst wenn das Experiment im Labor stattfindet.

Magnetfeld verändert auch die Nichtlinearität

Die Polariton-Nichtlinearität wurde über die Abhängigkeit der Reflexionsspektren von der Anregungsdichte untersucht. Alle beobachteten Polaritonzweige zeigten mit steigender Anregungsdichte einen linearen Blau-Shift. Je kleiner der Exzitonanteil eines Zweigs war, desto größer fiel er aus. Die (X_H)-Exzitonenergie selbst blieb im untersuchten Dichtebereich nahezu unverändert. Als dominanter Mechanismus gilt deshalb die Phasenraumfüllung, nicht eine langreichweitige Exziton-Exziton-Wechselwirkung.

Die Sättigungsexzitzondichte wurde mit (1{,}52 times 10^{14},mathrm{cm^{-2}}) bestimmt. Daraus wurden Bohr-Radien von etwa 0,90 Nanometern entlang der (b)-Achse und 0,25 Nanometern