Physiker*innen aus Regensburg, Marburg und Jülich kombinieren Lasertechnik und Elektronenmikroskopie zu einer neuen Zeitlupenkamera. Gefilmt hat sie einen Quantenaufzug im Zeitlupenvideo.
Mit einer neuen Zeitlupenkamera für Elektronen machen Physikerinnen und Physiker aus Regensburg, Marburg und Jülich sichtbar, wie intensive elektrische Felder Elektronen in Graphen antreiben und auf scheinbar paradoxe Weise Energielücken überspringen lassen. Möglich macht diese Beobachtungen eine völlig neuartige Kombination aus Lasertechnik und Elektronenmikroskopie. Das verblüffende Verhalten der Elektronen ist in etwa so, als würde bei einer Fahrt mit dem Aufzug die Stockwerksanzeige nach „1“, „2“, „3“ unvermittelt auf „20“ springen. Die 17 Stockwerke dazwischen hat man nie durchlaufen – und doch kommt man im 20. Stockwerk an.
Was nach einem unmöglichen Sprung klingt, ist in der Quantenwelt tatsächlich möglich. Man nennt solche Vorgänge Landau-Zener-Majorana-Übergänge und vermutet seit langem, dass sie eine zunehmend wichtige Rolle in der Hochgeschwindigkeitselektronik in Halbleitern spielen könnten. Einem Forschungsteam der Universität Regensburg, der Philipps-Universität Marburg und des Forschungszentrums Jülich ist es nun gelungen, die ultraschnelle Dynamik solcher Übergänge im Material Graphen sichtbar zu machen. Das Team berichtet darüber in seiner neuesten Studie in der international renommierten Fachzeitschrift „Nature“.
Die Forschenden konnten verfolgen, wie Elektronen durch das elektrische Feld eines Lichtimpulses beschleunigt werden und während ihrer Bewegung zwischen verschiedenen Energiebändern wechseln. In Halbleitern und verwandten Materialien dürfen Elektronen nur bestimmte Energiebereiche – sogenannte „Bänder“ – besetzen, die durch eine verbotene Energielücke voneinander getrennt sind. Normalerweise bleiben die Elektronen fest in ihrem jeweiligen Band gefangen; bei einem Landau-Zener-Majorana-Übergang überwinden sie diese verbotene Zone jedoch scheinbar mühelos.
Um solche extrem schnellen Vorgänge beobachten zu können, entwickelte das Team eine neuartige Kombination aus Lasertechnik und Elektronenmikroskopie. „Wenn man wissen will, wer ein Rennen gewonnen hat, muss man alle Teilnehmer im Blick behalten“, erklärt Vincent Eggers, Erstautor der Studie. „Genauso müssen wir möglichst viele Elektronen gleichzeitig beobachten, um diejenigen zu entdecken, die während ihrer Bewegung einen quantenmechanischen Übergang vollziehen.“ Möglich macht dies ein sogenanntes Photoemissions-Impulsmikroskop. Anders als ein gewöhnliches Mikroskop zeigt es keine vergrößerten Bilder von Gegenständen. Stattdessen erfasst es die Energien und Bewegungszustände der Elektronen und erstellt daraus eine Art Landkarte ihrer Verteilung.
Die besondere Herausforderung bestand darin, die Elektronenspektroskopie mit starken – extrem schnell schwingenden – Lichtfeldern zu kombinieren, die die Elektronen gezielt in Bewegung versetzen. Dafür waren Vorarbeiten im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB1083 „Structure and Dynamics of Internal Interfaces“ in Marburg maßgeblich, in dem Ulrich Höfer und sein Kollege Jens Güdde in Zusammenarbeit mit Rupert Huber solch eine Kombination für Messungen an topologischen Isolatoren entwickelt haben.
„Unser Team hat viele Jahre an diesem Experiment gearbeitet. Jetzt können wir die Bewegung von Elektronen im Takt des Lichts über die gesamte Energielandschaft eines Festkörpers hinweg verfolgen“, berichtete Huber. Sein Kooperationspartner Höfer – einer der Pioniere ultraschneller Elektronenspektroskopie – ergänzte begeistert: „Dass wir gleich bei der ersten Messkampagne einen so grundlegenden quantenmechanischen Prozess beobachten konnten, war für uns ein ganz besonderer Moment – und hat auch viel mit den Proben zu tun, die wir hierfür nutzen konnten.“
Die Proben bestehen aus atomar dünnen Kohlenstoffschichten von höchster Reinheit, die am Forschungszentrum Jülich für die Messungen hergestellt wurden. „Für diese Präzisionsexperimente muss das Material einerseits auf atomarer Ebene nahezu perfekt sein, damit die empfindliche Quantendynamik der Elektronen nicht durch Störstellen verwischt wird; ebenso hilfreich für unsere Untersuchung war aber auch die Verwendung eines „gedrehten“ Graphens, das eine Jülicher Spezialität ist und das die Quantendynamik besonders klar hervortreten lässt“, betonte Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich, der schon im Sonderforschungsbereich SFB1083 erfolgreich mit Ulrich Höfer zusammengearbeitet und dafür maßgeschneiderte Proben hergestellt hat.
Die Zeitlupenaufnahmen enthüllten dabei ein überraschendes Resultat: Unter dem Einfluss der starken Lichtfelder überwinden die Elektronen die Bandlücke mit einer Tunnelwahrscheinlichkeit von bis zu 100 Prozent. Das Faszinierende an Landau-Zener-Majorana-Übergängen ist, dass sie selbst dann mit hoher Wahrscheinlichkeit stattfinden können, wenn die beteiligten Energiezustände deutlich voneinander getrennt sind. Entscheidend ist, wie schnell sich die Elektronen der Bandlücke nähern. Darin unterscheiden sich diese dynamischen Übergänge grundlegend von gewöhnlichen quantenmechanischen Tunneln durch eine räumliche Energiebarriere.
Mit der neuen Methode lassen sich nicht nur fundamentale quantenmechanische Übergänge untersuchen, sondern auch die Prozesse, die eine gezielte Kontrolle der Elektronen begrenzen. Damit öffnet sich ein Panoramafenster in die Quantenwelt, durch das sich nun in Echtzeit verfolgen lässt, wie sich Elektronen durch die Energielandschaft eines Materials bewegen.
Und das ist erst der Anfang: Diese Methode lässt sich auf viele weitere Quantenmaterialien übertragen und eröffnet damit völlig neue Möglichkeiten, ihre elektronischen Eigenschaften gezielt mit Licht zu steuern. Bereits die Messungen an Graphen zeigen, wie Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter die zunächst geordnete Bewegung der Elektronen stören. Solche Erkenntnisse sind insbesondere für die Entwicklung zukünftiger Technologien wichtig, bei denen Elektronen nicht mehr nur durch elektrische Spannungen, sondern unmittelbar durch die extrem schnellen Schwingungen von Licht gesteuert werden.
* pm: Philipps-Universität Marburg