Der Kristall schlägt zurück

Der Kavalierstart von Elektronen in einem Kristall bleibt nicht ohne Folgen für ihr weiteres Schicksal. Das berichten die Berliner Forscher Peter Gaal, Wilhelm Kühn, Klaus Reimann, Michael Woerner, und Thomas Elsässer vom Max-Born-Institut sowie Rudolf Hey vom Paul-Drude-Institut in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Nature (Bd. 450, Seite 1210). Sie untersuchten die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in einem Galliumarsenidkristall, der für kurze Zeit einem sehr hohen elektrischen Feld ausgesetzt wurde. Dieses auch konzeptionell neue Experiment zeigt erstmals eine kollektive, ultrahochfrequente Zitterbewegung der Elektronen, die zusätzlich zur bekannten räumlichen Drift dieser Teilchen auftritt. Der neu entdeckte Effekt könnte bei der Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen eine wichtige Rolle spielen.

Galliumarsenid (GaAs) ist eines der wichtigsten Materialien für die Halbleiter-Optoelektronik. Ein GaAs-Kristall besteht aus einem regelmäßigen Gitter von Gallium- und Arsen-Atomen, wobei die Galliumatome leicht positiv und die Arsenatome leicht negativ geladen sind. Wenn sich ein Elektron langsam durch den Kristall bewegt, führt dies zu einer Verzerrung des Kristallgitters in seiner Umgebung. Die negative elektrische Ladung des Elektrons stößt negativ geladene Atome ab und zieht positiv geladene an. Hierdurch werden die Atome in Schwingungen um ihre Ruhelage versetzt: Gitterschwingungen, so genannte Phononen, entstehen. "Das kann man sich vorstellen wie bei einem schweren Ball, der über eine Matratze rollt", erläutert Michael Woerner. "Die Metallfedern der Matratze werden zusammengedrückt und entspannen sich wieder." Durch die Erzeugung von Gitterschwingungen verliert das Elektron Energie und wird in seiner Bewegung gebremst. Diese Abbremsung ist nichts anderes als der elektrische Widerstand eines Materials. Dabei driften die Elektronen mit konstanter Geschwindigkeit durchs Gitter. Dieses physikalische Bild ist die Grundlage des seit etwa hundert Jahren bekannten Ohm'schen Gesetzes für den elektrischen Widerstand.

Abb: Das Bild zeigt eine Berechnung der dynamischen Potentialfläche, die das Elektron in seiner „Heckwelle“ erzeugt. Darunter ist schematisch dargestellt die Gitterverzerrung im Kristall zu sehen. (Quelle: MBI)

Eine gänzlich neue Situation tritt auf, wenn die Elektronen einen Kavalierstart hinlegen, das heißt wenn sie - durch ein extrem hohes elektrisches Feld - schneller als die Reaktionszeit der Atome in ihrer Umgebung beschleunigt werden. Die Berliner Forscher verwenden zur Beschleunigung ein elektrisches Feld von 2 Millionen Volt pro Meter, das sie für eine extrem kurze Dauer von 0,3 Pikosekunden (1 Pikosekunde ist ein Millionstel einer Millionstel Sekunde) an den Kristall anlegen. Die hierdurch hervorgerufene Bewegung der Elektronen bilden sie mit ultrakurzen Lichtimpulsen im infraroten Spektralbereich ab. Im Gegensatz zur Driftbewegung mit konstanter Geschwindigkeit, die man bei kleinen elektrischen Feldern findet, wechselt überraschenderweise die Geschwindigkeit der beschleunigten Elektronen periodisch zwischen hohen und niedrigen Werten, das Elektron führt eine Art Zitterbewegung aus. Theoretische Berechnungen haben dieses experimentell gefundene Verhalten quantitativ bestätigt.

Der Leiter der Forschergruppe, MBI-Direktor Prof. Thomas Elsässer, sagt: "Die Tatsache, dass schnell beschleunigte Elektronen einerseits Schwingungen der Atome anregen und andererseits von den schwingenden Atomen abwechselnd gebremst und beschleunigt werden, ist von großer Bedeutung für den Ladungstransport in Nanostrukturen." Dort könnten aufgrund der geringen Abmessungen ähnlich starke elektrische Felder auftreten. Elsässer fügt hinzu: "Unsere Ergebnisse bilden deshalb auch eine Grundlage für die Optimierung der Transporteigenschaften von Halbleiter-Nanobauelementen."

Quelle: Pressestelle des Forschungsverbundes Berlin e.V.

Weitere Infos:

• P. Gaal et al. "Internal motions of a quasiparticle governing its ultrafast nonlinear response" in Nature, Bd. S. 450, S. 1210-1213
  
  
• Film 1: Dieser Film zeigt, wie sich ein Elektron langsam durch ein Kristallgitter bewegt.
  http://www.fv-berlin.de/pm_archiv/2007/fotos/MBI_Bild1.mpg
  
  
• Film 2: Dieser Film zeigt, was passiert, wenn das Elektron einen Kavaliersstart hinlegt: Das Kristallgitter wird durch die ultraschnelle Bewegung stärker verzerrt und es kommt zu einer Zitterbewegung.
  http://www.fv-berlin.de/pm_archiv/2007/fotos/MBI_Bild2.mpg