Attosekunden-Interferometrie an Festkörpern

Zu verfolgen, wie sich die Bandlücke eines isolierenden Festkörpers unter starker Laseranregung verändert, war lange Zeit eine Herausforderung, da die zugrunde liegenden Prozesse auf Femtosekunden-Zeitskalen ablaufen und insbesondere in Dielektrika mit großer Bandlücke nur schwer direkt beobachtbar sind. In einer Zusammenarbeit zwischen dem Max-Born-Institut, dem ARCNL Amsterdam und der Aarhus Universität haben Forschende nun gezeigt, dass mittels Interferometrie hoher Harmonischer im extremen Ultraviolett (XUV) direkter Zugang zu diesen Dynamiken gewonnen werden kann.

Zwei phasenstabilisierte Nahinfrarotpulse erzeugen hohe Harmonische in einem Festkörper. Die Interferenz der emittierten XUV-Felder enthält Informationen über die zeitliche Veränderung der Bandlücken.

Quelle: MBI / Peter Jürgens-Goltermann

Mit Hilfe phasen­stabili­sier­ter Paare von nah­infra­roten Laser­pulsen ließen sich Inter­ferenz­muster und deren inten­sitäts­abhängige Ver­schie­bung in den hohen Har­moni­schen aus Quarz­glas (SiO₂) und Magne­sium­oxid (MgO) mes­sen. Diese Ver­schie­bungen kodieren zeit­lich ver­änder­liche elek­troni­sche Band­lücken, wobei SiO₂ auf eine Ver­kleine­rung der Band­lücke und MgO auf eine Ver­größe­rung hin­deutet.

Die Experimente werden durch analy­ti­sche Model­lie­rungen und Simu­la­tio­nen auf Basis der Halb­leiter-Bloch-Glei­chungen unter­stützt, die bestä­ti­gen, dass die beob­achte­ten Phasen­ände­rungen konsis­tent mit anre­gungs­indu­zier­ten Modifi­kationen der elek­troni­schen Struk­tur sind.

Diese Ergebnisse etablieren inter­ferome­trische Messungen hoher Harmoni­scher als vielfältig anwend­bare, voll­ständig opti­sche Methode zur Unter­suchung von Band­struktur-Dynamiken in Fest­körpern. Über den funda­menta­len Erkenntnis­gewinn hinaus eröffnet dieser Ansatz neue Wege für die ultra­schnelle Halb­leite­rmetro­logie und zukünftige elektro-optische Techno­logien im Peta­hertz-Bereich. [MBI / dre]