Ein ungewöhnlicher Energieübergang

Forschenden von den Universitäten in Basel und Bochum ist es gelungen, mit Laserlicht einen anscheinend unerreich­baren Energie­übergang in einem künstlichen Atom zu erzeugen. Sie machten sich dabei den strahlenden Auger-Prozess zunutze, den sie erstmals gezielt anregten. Dabei fällt ein Elektron von einem höheren auf ein niedrigeres Energie­niveau und gibt dabei seine Energie teils in Form von Licht ab, teils überträgt es die Energie auf ein anderes Elektron. Bei den künst­lichen Atomen handelt es sich um eng begrenzte Bereiche in Halbleitern, die eines Tages die Basis für eine Quanten­kommunikation bilden könnten.

Elektronen, die fester an den Kern gebunden sind, haben eine geringere Energie als Elektronen, die sich weiter vom Kern entfernt befinden. Die Elektronen können aber nicht jede beliebige Energie annehmen, nur bestimmte Niveaus sind möglich. Nimmt ein Elektron Energie auf, zum Beispiel indem es ein Licht­teilchen absorbiert, kann es auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Fällt ein Elektron auf ein tieferes Energie­niveau, wird Energie frei. Diese kann zum einen in Form eines Licht­teilchens abgestrahlt werden. Sie kann aber auch anteilig auf eines der anderen Elektronen übergehen; dann wird nur ein Teil der Energie als Licht frei, der Rest wird von dem anderen Elektron absorbiert. Diesen Prozess bezeichnet man als strahlenden Auger-Prozess.

Durch das Einstrahlen von Licht­teilchen können Elektronen nicht nur auf ein höheres Energie­niveau gehoben werden; sie können durch ein einfallendes Lichtteilchen auch dazu stimuliert werden, Energie abzugeben. Die Energie des einge­strahlten Lichtteilchens muss dabei immer genau dem Unterschied in den beiden Energieniveaus entsprechen, zwischen denen man das Elektron bewegen möchte. Die Wissen­schaftler nutzten nun zwei Laser: Der eine bewegte Elektronen zwischen einem niedrigen und einem hohen Energieniveau; der andere zwischen dem hohen und einem mittleren Energieniveau. Dieses mittlere Energieniveau entspricht einem Nicht-Gleichgewichts­niveau: Der Übergang zum mittleren Niveau existiert ohne einen strahlenden Auger-Prozess nicht.

Zusätzlich hätte es zwischen dem niedrigen und dem mittleren Energie­niveau eigentlich keine Übergänge geben dürfen, weil dafür nicht das passende Licht eingestrahlt wurde. Genau dieser anscheinend unmög­liche Übergang erfolgte in der Praxis aber aufgrund des Energie­transfers von einem Elektron zum anderen im Rahmen des strahlenden Auger-Prozesses. 

RUB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Spinnler et al.: Optically driving the radiative Auger transition, Nat. Commun. 12, 6575 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-26875-8
• Angewandte Festkörperphysik, Ruhr-Universität Bochum
• Nano-Photonik, Universität Basel

Weitere Beiträge

• Auger-Effekt in Quantenpunkten (pro-physik.de Nachrichten, 29. Juni 2020)
• M. O. Görbig, Inversionslage in Graphen, Physik Journal, Februar 2015, S. 20 PDF