20.01.2014 (ang)
Anders als erwartet, bewegen sich Elektronen bei hohen Geschwindigkeiten in einem Festkörper nicht monoton. Die unerwarteten Oszillationen der Elektronen haben Physiker der Universitäten Marburg, Regensburg und Paderborn nun nachgewiesen. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Photonics" nachzulesen.
Die Bewegungen von Elektronen in einem Festkörper mit quantenmechanischen Wellen beschrieb vor 85 Jahren Felix Bloch. Die Bewegungen sind dabei mit den Bewegungen von Wellen auf dem Wasser vergleichbar. Treffen sie auf ein Hindernis, etwa einen Stein, dann werden sie gestreut; und auf der Wasseroberfläche bildet sich ein Muster kleiner Wellen aus. In einem Festkörper führt die enorme Anzahl periodisch angeordneter Atome zu einem hochkomplexen Streumuster der Elektronen und zu einer überraschenden Vorhersage: In einem starken elektrischen Feld sollten sich Elektronen demnach nicht – wie intuitiv erwartet – gleichförmig in eine Richtung bewegen, sondern beginnen, zu oszillieren.
Dieses merkwürdige Verhalten wurde aber bislang nur in künstlichen Modellsystemen beobachtet, weil die Wellennatur der Elektronen durch ihre Wechselwirkung untereinander sowie mit dem Atomgitter eines natürlichen Festkörpers schnell verwischt. Die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Stephan W. Koch und Prof. Dr. Mackillo Kira von der Philipps-Universität entwickelten nun gemeinsam mit Prof. Dr. Torsten Meier von der Universität Paderborn ein quantenmechanisches Modell, das die komplexen Vorgänge im Halbleiter nachbildet und empirische Daten eindeutig als dynamische Bloch-Oszillationen identifiziert.
Die Theoretischen Physiker stützen sich auf Ergebnisse, die ein Team um Prof. Dr. Rupert Huber von der Universität Regensburg in einem bahnbrechenden Experiment generiert hat. Den Regensburger Forschern gelang es, elektrische Felder in der Größenordnung von 10 Milliarden Volt pro Meter mit einer Präzision von billiardstel Sekunden an Halbleiter anzulegen und die Oszillation der Elektronen zu beobachten, bevor sie verwischt. Mit einer extrem schnellen Zeitlupenkamera konnten die Wissenschaftler zudem zeigen, dass die oszillierenden Elektronen elektromagnetische Strahlung vom Mikrowellen- bis zum Ultraviolett-Bereich ausstrahlen.
Die Ergebnisse vermitteln einen spektakulären Einblick in eine Quantenwelt, die für künftige Generationen von Halbleiter-Bauelementen entscheidend werden dürfte. Sie zeigen, dass sich elektrische Ströme auf Zeitskalen einzelner Lichtschwingungen kontrollieren lassen. Die Elektronik der Zukunft könnte also auch bei optischen Taktraten funktionieren.
Nicht zuletzt strahlen Bloch-Oszillationen ultrakurze Lichtblitze im infraroten Spektralbereich in einer Rekord-Bandbreite ab. Diese Lichtquelle dürfte demnach ein wertvolles Forschungsinstrument für die Ultrakurzzeit-Physik werden.
pm_: Philipps-Universität Marburg
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