Physiker*innen aus Regensburg, Marburg und J\u00fclich kombinieren Lasertechnik und Elektronenmikroskopie zu einer neuen Zeitlupenkamera. Gefilmt hat sie einen Quantenaufzug im Zeitlupenvideo.
\nMit einer neuen Zeitlupenkamera f\u00fcr Elektronen machen Physikerinnen und Physiker aus Regensburg, Marburg und J\u00fclich sichtbar, wie intensive elektrische Felder Elektronen in Graphen antreiben und auf scheinbar paradoxe Weise Energiel\u00fccken \u00fcberspringen lassen. M\u00f6glich macht diese Beobachtungen eine v\u00f6llig neuartige Kombination aus Lasertechnik und Elektronenmikroskopie. Das verbl\u00fcffende Verhalten der Elektronen ist in etwa so, als w\u00fcrde 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.
\nWas nach einem unm\u00f6glichen Sprung klingt, ist in der Quantenwelt tats\u00e4chlich m\u00f6glich. Man nennt solche Vorg\u00e4nge Landau-Zener-Majorana-\u00dcberg\u00e4nge und vermutet seit langem, dass sie eine zunehmend wichtige Rolle in der Hochgeschwindigkeitselektronik in Halbleitern spielen k\u00f6nnten. Einem Forschungsteam der Universit\u00e4t Regensburg, der Philipps-Universit\u00e4t Marburg und des Forschungszentrums J\u00fclich ist es nun gelungen, die ultraschnelle Dynamik solcher \u00dcberg\u00e4nge im Material Graphen sichtbar zu machen. Das Team berichtet dar\u00fcber in seiner neuesten Studie in der international renommierten Fachzeitschrift „Nature“.
\nDie Forschenden konnten verfolgen, wie Elektronen durch das elektrische Feld eines Lichtimpulses beschleunigt werden und w\u00e4hrend ihrer Bewegung zwischen verschiedenen Energieb\u00e4ndern wechseln. In Halbleitern und verwandten Materialien d\u00fcrfen Elektronen nur bestimmte Energiebereiche – sogenannte „B\u00e4nder“ – besetzen, die durch eine verbotene Energiel\u00fccke voneinander getrennt sind. Normalerweise bleiben die Elektronen fest in ihrem jeweiligen Band gefangen; bei einem Landau-Zener-Majorana-\u00dcbergang \u00fcberwinden sie diese verbotene Zone jedoch scheinbar m\u00fchelos.
\nUm solche extrem schnellen Vorg\u00e4nge beobachten zu k\u00f6nnen, 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“, erkl\u00e4rt Vincent Eggers, Erstautor der Studie. „Genauso m\u00fcssen wir m\u00f6glichst viele Elektronen gleichzeitig beobachten, um diejenigen zu entdecken, die w\u00e4hrend ihrer Bewegung einen quantenmechanischen \u00dcbergang vollziehen.“ M\u00f6glich macht dies ein sogenanntes Photoemissions-Impulsmikroskop. Anders als ein gew\u00f6hnliches Mikroskop zeigt es keine vergr\u00f6\u00dferten Bilder von Gegenst\u00e4nden. Stattdessen erfasst es die Energien und Bewegungszust\u00e4nde der Elektronen und erstellt daraus eine Art Landkarte ihrer Verteilung.
\nDie besondere Herausforderung bestand darin, die Elektronenspektroskopie mit starken – extrem schnell schwingenden – Lichtfeldern zu kombinieren, die die Elektronen gezielt in Bewegung versetzen. Daf\u00fcr waren Vorarbeiten im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB1083 „Structure and Dynamics of Internal Interfaces“ in Marburg ma\u00dfgeblich, in dem Ulrich H\u00f6fer und sein Kollege Jens G\u00fcdde in Zusammenarbeit mit Rupert Huber solch eine Kombination f\u00fcr Messungen an topologischen Isolatoren entwickelt haben.
\n„Unser Team hat viele Jahre an diesem Experiment gearbeitet. Jetzt k\u00f6nnen wir die Bewegung von Elektronen im Takt des Lichts \u00fcber die gesamte Energielandschaft eines Festk\u00f6rpers hinweg verfolgen“, berichtete Huber. Sein Kooperationspartner H\u00f6fer – einer der Pioniere ultraschneller Elektronenspektroskopie – erg\u00e4nzte begeistert: „Dass wir gleich bei der ersten Messkampagne einen so grundlegenden quantenmechanischen Prozess beobachten konnten, war f\u00fcr uns ein ganz besonderer Moment – und hat auch viel mit den Proben zu tun, die wir hierf\u00fcr nutzen konnten.“
\nDie Proben bestehen aus atomar d\u00fcnnen Kohlenstoffschichten von h\u00f6chster Reinheit, die am Forschungszentrum J\u00fclich f\u00fcr die Messungen hergestellt wurden. „F\u00fcr diese Pr\u00e4zisionsexperimente muss das Material einerseits auf atomarer Ebene nahezu perfekt sein, damit die empfindliche Quantendynamik der Elektronen nicht durch St\u00f6rstellen verwischt wird; ebenso hilfreich f\u00fcr unsere Untersuchung war aber auch die Verwendung eines „gedrehten“ Graphens, das eine J\u00fclicher Spezialit\u00e4t ist und das die Quantendynamik besonders klar hervortreten l\u00e4sst“, betonte Stefan Tautz vom Forschungszentrum J\u00fclich, der schon im Sonderforschungsbereich SFB1083 erfolgreich mit Ulrich H\u00f6fer zusammengearbeitet und daf\u00fcr ma\u00dfgeschneiderte Proben hergestellt hat.
\nDie Zeitlupenaufnahmen enth\u00fcllten dabei ein \u00fcberraschendes Resultat: Unter dem Einfluss der starken Lichtfelder \u00fcberwinden die Elektronen die Bandl\u00fccke mit einer Tunnelwahrscheinlichkeit von bis zu 100 Prozent. Das Faszinierende an Landau-Zener-Majorana-\u00dcberg\u00e4ngen ist, dass sie selbst dann mit hoher Wahrscheinlichkeit stattfinden k\u00f6nnen, wenn die beteiligten Energiezust\u00e4nde deutlich voneinander getrennt sind. Entscheidend ist, wie schnell sich die Elektronen der Bandl\u00fccke n\u00e4hern. Darin unterscheiden sich diese dynamischen \u00dcberg\u00e4nge grundlegend von gew\u00f6hnlichen quantenmechanischen Tunneln durch eine r\u00e4umliche Energiebarriere.
\nMit der neuen Methode lassen sich nicht nur fundamentale quantenmechanische \u00dcberg\u00e4nge untersuchen, sondern auch die Prozesse, die eine gezielte Kontrolle der Elektronen begrenzen. Damit \u00f6ffnet sich ein Panoramafenster in die Quantenwelt, durch das sich nun in Echtzeit verfolgen l\u00e4sst, wie sich Elektronen durch die Energielandschaft eines Materials bewegen.
\nUnd das ist erst der Anfang: Diese Methode l\u00e4sst sich auf viele weitere Quantenmaterialien \u00fcbertragen und er\u00f6ffnet damit v\u00f6llig neue M\u00f6glichkeiten, ihre elektronischen Eigenschaften gezielt mit Licht zu steuern. Bereits die Messungen an Graphen zeigen, wie Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter die zun\u00e4chst geordnete Bewegung der Elektronen st\u00f6ren. Solche Erkenntnisse sind insbesondere f\u00fcr die Entwicklung zuk\u00fcnftiger Technologien wichtig, bei denen Elektronen nicht mehr nur durch elektrische Spannungen, sondern unmittelbar durch die extrem schnellen Schwingungen von Licht gesteuert werden.<\/p>\n
* pm: Philipps-Universit\u00e4t Marburg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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