Feldaufgelöste Spektroskopie: Aufbruch in neue Frequenzbereiche
Messmethode zur Beobachtung lichtinduzierter Vorgänge in Festkörpern erweitert.
Wenn Materie durch ultrakurze Laserpulse angeregt wird, streuen angeregte Elektronen auf der Femtosekunden-Zeitskala. Informationen über die Streuung und andere schnelle Prozesse in dem Material lassen sich mittels feldaufgelöster Spektroskopie in der Wellencharakteristik des transmittierten oder reflektierten Lichtfelds finden. Ein Teil der Informationen war jedoch bislang nicht zugänglich. Denn bisher haben feldaufgelöste Experimente nur Frequenzen unterhalb von fünfzig Terahertz abgedeckt. Jetzt hat ein internationales Team um Matthias Kling von der Uni München und dem MPI für Quantenoptik die Messmethode auf einen Frequenzbereich von bis zu hundert Terahertz erweitert. Mit der Verdopplung der maximalen Frequenz gewinnen die Forscher neue Einsichten in lichtinduzierte Vorgänge in Festkörpern.
In der Messung konnten die Forscher zudem Wiederholungsraten im Megahertz-Bereich erzielen. Sie regten Halbleiter mit nahinfraroten Laserpulsen an, die nur wenige Schwingungen lang dauerten. „Der Vorteil von Messungen in diesem erweiterten Frequenzbereich ist, dass er frei von anderen Resonanzen ist und man dadurch die Antwort der freien Elektronen in den Materialien gut beobachten kann“, erläutert Marcel Neuhaus von der Uni München. Damit ermöglicht die Technik eine zeitliche Auflösung der Dynamik von Elektronen in Festkörpern von unter zehn Femtosekunden.
Durch den erweiterten Frequenzbereich konnten die Physiker die Dynamik der freien Ladungsträger in den Halbleitern Germanium und Galliumarsenid in einem von störenden Resonanzen freien Bereich testen und dabei unter anderem beobachten, wie Elektronen zwischen den verschiedenen Energieminima des Leitungsbandes streuen. Dadurch konnten sie Rückschlusse ziehen, wie sich die Elektronen bei diesem Streuvorgang gegenseitig beeinflussen.
„Die demonstrierte feldaufgelöste transiente Reflektometrie bei Frequenzen von fünfzig bis hundert Terahertz ebnet den Weg um intramolekulare Schwingungsübergänge in einem breiten Spektrum von Systemen, einschließlich der molekularen und organischen Elektronik, zu untersuchen“, erläutert Kling. „In Zukunft kann der neue Frequenzbereich auch Untersuchungen mit hoher Sensitivität molekularer Schwingungen in organischen und neuartigen 2D-Materialien eröffnen.“
MPQ / RK
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- Originalveröffentlichung
M. Neuhaus et al.: Transient field-resolved reflectometry at 50-100 THz, Optica 9, 42 (2022); DOI: 10.1364/OPTICA.440533 - Labor für Attosekundenphysik, Max-Planck-Institut für Quantenoptik & Ludwig-Maximilians-Universität München