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Wissenschaft
Dienstag, 23. Mai 2017 25° 3

Physik

Der Quanteneffekt von Elektronen

Regensburger Forscher beobachteten die Bewegung von Elektronen im Halbleiter in Zeitlupe – mit überraschenden Ergebnissen.
Von Louisa Knobloch, MZ

Eine Lichtwelle beschleunigt Elektronen durch das Kristallgitter eines Festkörpers. Dabei überlagern sich die angeregten Elektronen und senden ultrakurze Lichtblitze aus. Foto: B. Baxley (parttowhole.com)

Regensburg.Die Geschwindigkeit, mit der Daten in Computern verarbeitet werden können, ist in den vergangenen Jahren kontinuierlich gestiegen – bei neueren Rechnern liegt die Taktrate im Gigahertz-Bereich. „In Zukunft könnte man Lichtwellen mit ihrer hohen Frequenz als Taktgeber für superschnelle Elektronik nutzen“, sagt Prof. Dr. Rupert Huber vom Lehrstuhl für Experimentalphysik der Universität Regensburg. Allerdings gibt es hier noch viele offene Fragen.

Elektronische Bauelemente basieren auf der Bewegung von Elektronen in einem Festkörper durch ein elektrisches Feld. Doch wie sich Elektronen auf so kleinen Zeitskalen wie einer einzelnen Lichtschwingung verhalten, war bislang noch unklar. Huber und sein Team haben das gemeinsam mit Forschern der Universität Marburg untersucht und dabei eine interessante Entdeckung gemacht. Ihre Ergebnisse haben sie nun in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht (DOI: 10.1038/nature14652).

Den Wissenschaftlern gelang es erstmals, die Bewegung von Elektronen in einem Halbleiter in extremer Zeitlupe zu beobachten. Die Elektronen wurden dafür mit einem starken infraroten Lichtimpuls angeregt und in Bewegung versetzt. „In Regensburg haben wir eine der weltweit intensivsten Lichtquellen im ferninfraroten Spektralbereich“, so Huber.

Dem Licht beim Schwingen zusehen

Durch diese Beschleunigung senden die Elektronen ultrakurze Lichtblitze – sogenannte „Hohe Harmonische“ – aus. Die Regensburger Forscher konnten diese Lichtblitze gemeinsam mit dem treibenden Lichtfeld messen. Die Zeitauflösung lag im Experiment bei etwa einer Femtosekunde – das ist der millionste Teil einer milliardstel Sekunde. „Wir können damit dem Licht beim Schwingen zuschauen und erstmals sehen, wann die Elektronen ihre Lichtblitze emittieren“, betont Huber.

Prof. Dr. Rupert Huber mit seinen Mitarbeitern Fabian Lange und Matthias Hohenleutner (v.l.) im Laser-Labor der Universität Regensburg. Foto: Knobloch

Die Wissenschaftler stellten fest, dass das Licht der Elektronen nur auf einer Seite oder Polarität des treibenden Lichtfeldes emittiert wird.

Überrascht waren die Forscher von dem Verhalten der Elektronen. „Es handelt sich nicht um klassische Teilchen. Elektronen sind tatsächlich quantenmechanische Wellen und können wie Wellen auf einem Teich interferieren, also sich überlagern“, betont Huber. Während sich Elektronen normalerweise in klar definierten Zuständen befinden, also mit einer bestimmten Energie schwingen, reagieren sie völlig anders, wenn sie durch den starken infraroten Lichtimpuls angeregt werden. Für eine kurze Zeitspanne befinden sie sich dann gleichzeitig in verschiedenen Zuständen – sind also sowohl angeregt als auch im Ruhezustand. Je nach Richtung des Lichtfeldes verstärken sich diese oszillierenden Mischzustände oder löschen sich gegenseitig aus.

Elektronen tunneln durch Barriere

Der quantenmechanische Effekt, dass ein System gleichzeitig zwei verschiedene Zustände haben kann, ist vor allem durch das Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“ bekanntgeworden, bei dem eine Katze in einer Kiste gleichzeitig sowohl lebendig als auch tot sein kann. Im Experiment lassen sich solche quantenmechanischen Effekte in der Regel nur auf besonders kleinen Längenskalen und bei sehr empfindlichen Messungen nachweisen. Im vorliegenden Fall war es aber genau umgekehrt: „Je stärker das treibende Lichtfeld ist, desto mehr Überlagerungszustände erreicht man.“

Diese Zustände erlauben es den Elektronen, quasi durch Wände zu gehen. Die Wand ist in diesem Fall die Bandlücke im Halbleiter, also ein Bereich außerhalb der erlaubten Energiezustände. „Die Elektronen können durch diese Barriere hindurchtunneln und auf beiden Seiten zugleich sein“, sagt Huber. Die Forscher haben nun beobachtet, dass die Elektronen durch diesen Effekt ein ganz anderes Verhalten an den Tag legen, als es in der konventionellen Elektronik der Fall ist. „Diese Quantenmechanik wird man berücksichtigen müssen, wenn man Licht als Taktgeber für Elektronik verwenden will.“ Er sieht die neuen Erkenntnisse aber nicht als Hindernis, sondern als Chance, einen Schritt näher zu einem Quantencomputer zu kommen.

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