Extrem schnelle Kamera filmt Elektronenbewegung
Ultraschnelle Umwandlung von Lichtenergie in einem Festkörper untersucht.
Bei der Umwandlung von Licht in Strom geht ein Großteil der eingebrachten Lichtenergie verloren. Ursache ist das Verhalten der Elektronen im Inneren von Materialien. Trifft Licht auf ein Material, regt es Elektronen für den Bruchteil einer Sekunde energetisch an, bevor diese die Energie wieder an die Umgebung abgeben. Aufgrund ihrer extrem kurzen Dauer von wenigen Femtosekunden sind diese Prozesse bisher wenig erforscht. Einem Team der Uni Kiel unter der Leitung von Michael Bauer und Kai Roßnagel ist es jetzt gelungen, den Energieaustausch der Elektronen mit ihrer Umgebung in Echtzeit zu untersuchen und dabei einzelne Phasen zu unterscheiden.
In ihrem Experiment bestrahlten die Forscher Graphit mit einem intensiven, ultrakurzen Lichtimpuls und filmten die Auswirkungen auf das Verhalten der Elektronen. Ein umfassendes Verständnis der dabei ablaufenden, grundlegenden Prozesse könnte zukünftig für Anwendungen in ultraschnellen, optoelektronischen Bauteilen wichtig sein.
Welche Eigenschaften ein Material hat, hängt vom Verhalten seiner Elektronen und Atome im Inneren ab. Ein grundlegendes Modell zur Beschreibung des Verhaltens der Elektronen ist das Konzept des Fermigases. Hierbei werden die Elektronen im Material als gasförmiges System betrachtet. Auf diese Weise gelingt es, ihre Wechselwirkungen untereinander zu beschreiben. Um das Verhalten von Elektronen auf Basis dieser Beschreibung in Echtzeit zu verfolgen, entwickelte das Forschungsteam ein Experiment für Untersuchungen mit extremer Zeitauflösung: Wird eine Materialprobe mit einem ultraschnellen Lichtimpuls bestrahlt, werden die Elektronen im Inneren kurzzeitig angeregt. Ein zweiter, zeitverzögerter Lichtimpuls löst einen Teil dieser Elektronen aus dem Festkörper heraus. Ihre detaillierte Analyse lässt Rückschlüsse auf die elektronischen Eigenschaften des Materials nach der ersten Lichtanregung zu. Eine spezielle Kamera filmt, wie die eingebrachte Lichtenergie sich über das Elektronensystem verteilt.
Die Besonderheit der Kieler Anlage ist ihre extrem hohe Zeitauflösung von dreizehn Femtosekunden. Sie macht sie zu einer der schnellsten Elektronen-Kameras weltweit. „Dank der extrem kurzen Dauer der verwendeten Lichtimpulse sind wir in der Lage, ultraschnelle Prozesse live zu filmen. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass hier überraschend viel passiert“, erklärt Bauer.
In ihrem aktuellen Experiment beschoss das Forscherteam eine Graphitprobe mit einem kurzen, intensiven Lichtimpuls von nur sieben Femtosekunden Dauer. Graphit zeichnet sich durch eine einfache elektronische Struktur aus. Grundlegende Prozesse sind so besonders eindeutig zu beobachten. Die auftreffenden Photonen störten im Experiment das thermische Gleichgewicht der Elektronen. Dieses Gleichgewicht beschreibt einen Zustand, bei dem unter den Elektronen eine eindeutig definierbare Temperatur herrscht. Anschließend filmte das Forschungsteam das Verhalten der Elektronen, bis ein Gleichgewicht nach etwa fünfzig Femtosekunden wiederhergestellt ist.
Dabei beobachteten die Wissenschaftler zahlreiche Wechselwirkungsprozesse der angeregten Elektronen mit den auftreffenden Photonen, sowie Atomen und anderen Elektronen im Material. Anhand der Filmaufnahmen konnten sie sogar unterschiedliche Phasen innerhalb dieses ultrakurzen Zeitraums unterscheiden. Zunächst nahmen die bestrahlten Elektronen die Lichtenergie der Photonen im Graphit auf und wandelten sie damit in elektrische Energie um. Anschließend verteilte sich die Energie auf weitere Elektronen, bevor diese sie an die umliegenden Atome weitergaben. In diesem letzten Prozess wird die elektrische Energie schließlich unwiederbringlich in Wärme umgewandelt; das Graphit erhitzt sich.
Die Experimente des Forschungsteams bestätigen erstmals auch theoretische Vorhersagen. Damit ermöglichen sie einen neuen Blick auf eine auf diesen kurzen Zeitskalen bisher kaum untersuchte Forschungsthematik. „Durch unsere neuen technischen Möglichkeiten können diese fundamentalen, komplexen Prozesse zum ersten Mal direkt beobachtet werden“, betont Bauer. Angewendet werden könnte dieser Ansatz auch, um in Zukunft ultraschnelle Bewegungen von lichtangeregten Elektronen in Materialien mit vielversprechenden optischen Eigenschaften zu untersuchen und zu optimieren.
CAU / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
G. Rohde et al.: Ultrafast Formation of a Fermi-Dirac Distributed Electron Gas, Phys. Rev. Lett. 121, 256401 (2018); DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.256401 - AG Ultrakurzzeit-Dynamik (M. Bauer), Institut für experimentelle und angewandte Physik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
