Gleichstrom im Pikosekundentakt
Ultraschneller Gleichrichter für Terahertz-Strahlung aus Lithiumniobat entwickelt.
Forscher am Max-Born-Institut in Berlin haben einen ultraschnellen Gleichrichter für Terahertz-Strahlung entdeckt. In den Einheitszellen eines Lithiumniobat-Kristalls werden Wechselströme mit einer 1000-fach höheren Frequenz als in modernen Computersystemen in Gleichstrom verwandelt. Gleichzeitig entsteht auch eine Serie von Oberwellen der Terahertz-Strahlung.
Abb.: Das hohe elektrische Feld eines Terahertz-Impulses beschleunigt die Elektronen in einem Lithiumniobat-Kristall aus Lithium-Atomen (grün), Niob-Atomen (blau) und Sauerstoffatomen (rot). Der Kristall besitzt keine Inversionssymmetrie und daher eine ferroelektrische Polarisation entlang der c-Achse. (Bild: MBI)
Für die Erzeugung von Gleich- aus Wechselströmen muss das verwendete Material eine Vorzugsrichtung aufweisen. Diese Bedingung erfüllen ferroelektrische Kristalle, in denen die räumliche Trennung von positiven und negativen Ionen mit einer elektrischen Polarisation verbunden ist. Die meisten Ferroelektrika sind elektrische Isolatoren. Dieses Verhalten ändert sich drastisch wenn man für kurze Zeit ein sehr starkes elektrisches Feld im Bereich von mehreren 100.000 Volt pro Zentimeter anlegt. Bei solchen Feldstärken können Valenzelektronen, mittels eines quantenmechanischen Tunnelprozesses für kurze Zeit frei beweglich gemacht werden und deshalb zu einem Strom durch den Kristall führen.
Die Eigenschaften eines derartigen Stroms haben nun erstmals Forscher am Max-Born-Institut in Berlin untersucht. Sie legten mittels ultrakurzer intensiver Terahertzimpulse ein Wechsel-(AC)-Feld an einen dünnen Kristall aus Lithiumniobat (LiNbO3) an, das einen elektrischen Strom im Material erzeugte. Dann vermaßen sie das abgestrahlte Feld und analysierten es, um auf die Eigenschaften dieses Stroms zu schließen. Die Forscher sahen neben einem oszillierenden Strom, der die Frequenz des angelegten Terahertz-Feldes von 2 Terahertz und Vielfachen davon aufwies, auch die Signatur eines gleichgerichteten Stroms entlang der ferroelektrischen Vorzugsrichtung des LiNbO3-Kristalls.
Abb.: Beim Transport von Elektronen entlang der c-Achse müssen diese alternierend unterschiedliche Abstände zwischen Lithium und Niob-Atomen überwinden. Die Niob-Atome ihrerseits sind nicht im Zentrum der Sauerstoff-Oktaeder. Beides führt zu asymmetrischen Barrieren, die die Elektronen nur mittels des quantenmechanischen Tunnelprozesses überwinden können. (Bild: MBI)
Der gleichgerichtete Strom entlang der ferroelektrischen Achse hat seinen Ursprung im Zusammenspiel von quantenmechanischem Tunneln zwischen dem Valenz- und verschiedenen Leitungsbändern des LiNbO3-Kristalls und der Abbremsung der Elektronen durch Reibungsprozesse. Der Tunnelprozess erzeugt frei bewegliche Elektronen die ohne Reibung im Takt des angelegten Terahertzfeldes räumlich und zeitlich schwingen würden. Durch Reibung wird diese Schwingungsbewegung zerstört, ein als Dekohärenz bezeichneter Prozess.
Da die Tunnelbarriere des LiNbO3 entlang der ferroelektrischen Achse asymmetrisch ist, ergibt sich aus Dekohärenz ein räumlich asymmetrischer Transport, das heißt die Tunnelbarriere lässt mehr Elektronen von rechts nach links als in umgekehrter Richtung durch. Dieser Mechanismus ist innerhalb einer Einheitszelle des Kristalls, etwa auf einer Sub-Nanometer-Längenskala wirksam und bewirkt die Gleichrichtung des Terahertz-Feldes. Der Effekt lässt sich auch bei noch höheren Frequenzen ausnutzen wodurch sich interessante Anwendungsmöglichkeiten in der Höchstfrequenzelektronik ergeben.
FVB / PH
