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Fakultät für Naturwissenschaften
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Studierende der Fakultät für Naturwissenschaften (Foto: Uni Paderborn, A. Rutenburges)

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Wissenschaftler*innen entschlüsseln erstmals Attosekunden-Kollisionsdynamik in Festkörpern

Ergebnisse in Ultrafast Science veröffentlicht

Ein internationales Forscher*innenteam aus Deutschland, China, Israel und Vietnam hat die sogenannte Attosekunden-Kollisionsdynamik von Elektronen mit benachbarten Atomen in Festkörpern entschlüsselt. Damit ist es ihnen erstmals gelungen, Struktur und Dynamik von gewissen in der Bandstruktur verschlüsselten Informationen zu identifizieren. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Ultrafast Science“ veröffentlicht, einem neuen Partner-Journal des renommierten „Science“-Magazins.

In ihren Simulationen haben die Wissenschaftler*innen mit „Harmonischen hoher Ordnung“ (HHG) gearbeitet. Auf dem Gebiet der Physik wird damit eine bestimmte, sehr besondere Art von Schwingung mit dem Vielfachen der Grundfrequenz bezeichnet. HHGs sind für die Studie deshalb so wichtig, weil sie zur Erzeugung von Attosekundenpulsen verwendet werden können, die als „schnellste Kamera der Welt“ zur Abbildung von Elektronenbewegungen mithilfe der Spektroskopie gelten. Eine Attosekunde ist das Milliardstel einer Milliardstel Sekunde und verhält sich damit zu einer Sekunde etwa so wie eine Sekunde zum Alter des Universums. Erst kürzlich wurden HHGs in kristallinen Festkörpern beobachtet, was ein großes Potenzial für kompakte Attosekunden-Lichtquellen und die Bestimmung der Bandstruktur von Festkörpermaterialien mit sich bringt. Die Bandstruktur beschreibt die Zustände von Elektronen und Löchern eines kristallinen Festkörpers. Damit gibt sie Aufschluss über die Beschaffenheit seiner elektronischen Struktur. Als Loch wiederum wird der positive Ladungsträger in Halbleitern bezeichnet. Es ist die Stelle, an der sich zuvor ein Elektron befunden hat – bevor es sich nach Anhebung auf ein höheres Energieniveau auf den Weg durch den Festkörper gemacht hat.

„Viele zugrundeliegende Aspekte der HHG in Festkörpern sind bislang nicht gut verstanden“, erklärt Prof. Dr. Torsten Meier von der Universität Paderborn. Diesen Umstand wollten die Physiker*innen ändern. Meier beschreibt, worum es bei ihren Simulationen geht: „Vereinfacht ausgedrückt geht es darum, dass starke elektrische Felder an den Atomen im Kristall bewegliche Elektronen und gleichzeitig Löcher erzeugen. Diese werden anschließend beschleunigt und wandern durch den Kristall. Licht bzw. Strahlung entsteht, wenn Elektronen und Löcher sich im Raum treffen – das ist die Kollision – und sich gegenseitig vernichten. Man spricht in diesem Fall von Rekombinieren. Eine wichtige Frage ist nun, ob ein erzeugtes Elektron-Loch-Paar direkt wieder miteinander rekombiniert, oder ob die Rekombination mit anderen Elektronen und Löchern stattfindet. Ebenso ist interessant, wo im Raum die Rekombination passiert und wie die Bewegung der Elektronen und Löcher innerhalb des Kristalls durch die Atome verändert wird. Wir konnten zeigen, dass die ausgesandte Strahlung es erlaubt, wichtige Informationen über die Bandstruktur, also über Bindungen und Bewegungsmöglichkeiten im Kristall zu erhalten.“

Den Wissenschaftler*innen ist es gelungen, die Dynamik von Kollisionen, die in der Bandstruktur verschlüsselt ist, durch die Analyse der erzeugten HHGs in Festkörpern zu entschlüsseln. Die HHGs waren also in erster Linie ein Mittel zum Zweck. Dazu Prof. Dr. Xiaohong Song von der Shantou Universität in China: „Die Gewinnung detaillierter Informationen über die innere Struktur und die ultraschnelle Dynamik ist ein ewiger Traum von Wissenschaftlern. Normalerweise können solche Informationen nicht direkt beobachtet werden, sondern werden durch hochauflösende Spektroskopie zugänglich gemacht. Die HHG hat sich hier als nützliches Werkzeug erwiesen. Indem man Materie mit einem intensiven Laserfeld anregt, können Elektronen freigesetzt werden und es kommt zur Attosekundenstrahlung. Wenn das Elektron unter bestimmten Bedingungen mit dem zugehörigen Loch kollidiert, werden hochenergetische Photonen bzw. obere Harmonische emittiert. Photonen sind kleinste Lichtteilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht.“

Prof. Dr. Weifeng Yang, ebenfalls von der Shantou Universität, erklärt: „Diese Photonen, die typischerweise im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen, speichern Informationen über die Struktur und Dynamik der Elektron-Loch-Paare. Die HHG-Spektroskopie bietet eine direkte Abbildungsbeziehung zwischen den dynamischen Prozessen von Elektronen und Löchern." Die Wissenschaftler*innen haben außerdem erstmals gezeigt, dass die Kollision von Elektronen und Löchern mit benachbarten Atomen von dem Impuls abhängt, den sie durch das Laserfeld erhalten. „Wenn das Elektron-Loch-Paar einen großen Impuls erhält, bevor sich das Laserfeld umkehrt, sodass dessen Wellenlänge mit der Größe des Atoms vergleichbar ist, kommt es zu Kollisionen mit benachbarten Atomen", weiß Ruixin Zuo, ebenfalls von der Shantou Universität.

Mit der Arbeit haben die Wissenschaftler*innen nachgewiesen, dass die Kollisionsinformationen bereits in der Bandstruktur kodiert sind. Die Physiker*innen erstellen damit eine eindeutige Zuordnung zwischen der Elektronen-/Loch-Bandstruktur und dem harmonischen Spektrum. Diese Ergebnisse erklären einerseits experimentelle Resultate in einem vereinheitlichten Bild, andererseits kann das gewonnene Verständnis angewendet werden, um Strahlung gezielt maßzuschneidern und beispielsweise extrem kurze Attosekundenpulse zu erzeugen.

Zum Ultrafast Science-Artikel: https://doi.org/10.34133/2021/9861923

Kontakt

Torsten Meier

Prof. Dr. Torsten Meier

Theoretische Festkörper-Optoelektronik und -Photonik

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Die Universität der Informationsgesellschaft