Angeregtes Zusammenspiel: Resonanzen in der Terahertz-Strahlung

Physiker der Philipps-Universität in Marburg haben gemeinsam mit Arbeitsgruppen aus Dresden und Wien herausgefunden, wie sich Halbleitermaterialien verhalten, wenn sie elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich ausgesetzt sind. Wie Stephan W. Koch und seine Marburger Kollegen theoretisch vorhersagen konnten, beruhen die gemessenen Resonanzen auf zwei Wechselwirkungen, mit denen die im Halbleiter eingeschlossenen Elektronen auf die Strahlung reagieren: einer Kombination von kontinuierlichen Oszillationen und diskreten Energieübergängen. Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Physical Review Letters".

In den letzten Jahren hat eine rasante Entwicklung in der Terahertz-Physik stattgefunden, einem Gebiet, das sich mit elektromagnetischer Strahlung hoher Frequenz zwischen Infrarot und Mikrowellenbereich beschäftigt. Während man bis vor wenigen Jahren noch von der so genannten Terahertz-Lücke im elektromagnetischen Spektrum sprach, hat die Terahertz-Strahlung heute bereits eine Vielzahl von technischen Anwendungen gefunden. "Aber auch in der Grundlagenforschung hat sich die Terahertz-Spektroskopie zu einem wichtigen Werkzeug entwickelt", erläutert Seniorautor Koch, "zum Beispiel, um interne Übergänge zu analysieren und zu manipulieren, die in Festkörpern und Molekülen stattfinden."

Ein solcher interner Übergang kann unter anderem bei Elektronen erzeugt werden, die in einer sehr dünnen Schicht eingesperrt sind, einem so genannten Quantenfilm. Dabei macht man sich einen interessanten quantenmechanischen Effekt zunutze: Während sich die Elektronen parallel zur Schicht frei bewegen und somit beliebige Energien annehmen können, ist die Bewegung senkrecht zur Schicht quantisiert, das heißt, die Elektronen können nur ganz bestimmte Energien annehmen. Man sagt, es komme zur Bildung von diskreten Energieniveaus. Ein Quantenfilm lässt sich unter anderem durch die Einbettung einer dünnen Halbleiterschicht zwischen zwei andere Halbleitermaterialien realisieren. In diesem Fall beträgt die Energiedifferenz der beiden untersten Energieniveaus typischerweise gerade einige Terahertz.

Trifft nun ein elektromagnetisches Feld mit geeigneter Frequenz auf den Quantenfilm, so existieren zwei grundlegend verschiedene Möglichkeiten der Wechselwirkung der Elektronen mit dem Feld: Einerseits kann die Energie der Terahertz-Strahlung dazu benutzt werden, einen internen Übergang zu induzieren, das heißt ein Elektron in das nächst höhere Energieniveau anzuheben. Zum anderen werden die Elektronen durch das momentan anliegende elektrische Feld in der Quantenfilmebene beschleunigt, so dass sie eine oszillatorische Bewegung mit der Frequenz des Terahertz-Feldes vollführen. Beide Prozesse senden wiederum charakteristische Terahertz-Strahlen aus, die miteinander interferieren und das ursprüngliche Feld verändern.

Physikern des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf um Manfred Helm ist es nun gelungen, diese Änderungen des Terahertz-Feldes an einem geeigneten System zu messen. Dabei zeigten die Spektren des abgestrahlten Feldes ein charakteristisches Verhalten, welches stark an die nach ihrem Entdecker benannten Fano-Resonanzen erinnert. Sie tauchen immer dann auf, wenn in einem physikalischen System ein diskreter Energieübergang an ein Kontinuum von Übergängen gekoppelt ist.

Die Marburger Halbleiterphysiker Stephan W. Koch, Mackillo Kira und Daniel Golde konnten mithilfe der von ihnen entwickelten mikroskopischen Theorie dieses charakteristische Verhalten eindeutig dem Zusammenspiel der beiden genannten Wechselwirkungsprozesse zuordnen. "Damit wurde zum ersten Mal ein Verfahren gefunden, welches es ermöglicht, diese grundlegenden Prozesse in einem Experiment direkt zu identifizieren und voneinander zu unterscheiden", erklärt Koch.

Des Weiteren ermöglicht das Verfahren, die relativen Stärken der beteiligten Wechselwirkungsprozesse im betrachteten System quantitativ zu bestimmen. Ein bemerkenswertes Resultat ist, dass sich die Methode nicht nur auf die Energieaufspaltungen in Quantenfilmen anwenden lässt, sondern prinzipiell auf alle internen Übergänge in Halbleiterstrukturen.

Philipps-Universität Marburg


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Daniel Golde & al.: Fano Signatures in the Intersubband Terahertz Response of Optically Excited Semiconductor Quantum Wells, Phys. Rev. Lett. 102, 127403 (27 März 2009)
  http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.127403
• AG Theoretische Halbleiterphysik Marburg:
  http://www.physik.uni-marburg.de/de/forschung/theoretische-halbleiterphysik/ag-startseite.html

AL