Laserschleifen erzeugen ultraschnelle elektrische Ströme in Festkörpern

Theoretiker des MPI für Struktur und Dynamik der Materie sagen voraus, dass eine ungewöhn­liche Laser­quelle hoch­gradig kontrol­lier­bare elektrische Ströme in Fest­körpern aller Art erzeugt. Die Studie des Teams liefert neue Erkennt­nisse für die Entwick­lung ultra­schneller opto­elek­tro­nischer Bau­elemente, für effi­zientere Photo­voltaik und für die Unter­suchung des Verhaltens von Elektronen in Fest­körpern.

Die Forscher konzentrierten sich auf einen intensiven bichro­ma­tischen Laser­strahl, der nur aus Photonen mit niedriger Energie besteht, aber aus zwei zirkular polari­sierten Frequenzen. Die Polari­sie­rung des elektro­mag­ne­tischen Felds dieses Strahls zeichnet eine spezi­fische Form in Raum und Zeit: Die Kombi­nation der beiden Farben führt zu einer Doppel­schleifen­bewegung, die die Elektronen im Fest­körper in verschiedene Richtungen treibt. Gemeinsam mit dem intensiven Strahl bewirkt dieses Doppel­schleifen-Laser­licht einen radikalen Effekt: Viele Photonen werden gleich­zeitig absorbiert und regen die Elektronen an, so dass ein Strom entsteht.

„Normalerweise werden nieder­energe­tische Photonen nicht vom Material absorbiert", sagt Ofer Neufeld vom MPSD. „Wir umgehen das, indem wir einen sehr intensiven Laser­strahl mit vielen Photonen nutzen, der es mehreren Photonen ermöglicht, sich zu kombi­nieren und gemeinsam absorbiert zu werden, um so einen Photostrom zu erzeugen.“ Darüber hinaus erzeugen die nieder­energe­tischen Photonen nur eine geringe Erwärmung des Materials, so dass es sich um einen hoch­effi­zienten Umwand­lungs­prozess handelt.

Interessanterweise tritt der Photo­strom immer in einem rechten Winkel zum Laser auf, so dass seine Richtung und Amplitude sehr gut steuerbar sind. Das funktio­niert allerdings nur bis zu einem bestimmten Punkt. „Bei sehr intensiven Strahl­leistungen kommt es zu einem spontanen Symmetrie­bruch und die Richtung des Stroms ist nicht mehr vorher­sagbar", sagt Neufeld. „Dann entstehen jedoch interes­sante Effekte wie indu­zierte Wechsel­wirkungen zwischen Elektronen und die Empfind­lich­keit gegen­über der Träger­phase der Photonen. Wir hoffen, dass wir durch die Messung der erzeugten Ströme auch neue Erkennt­nisse über die grund­legenden Prozesse gewinnen können, die auf Zeit­skalen von weniger als einer Femto­sekunde ablaufen.“

Mit diesem neuen Ansatz lassen sich laut den Forschern Photo­ströme in einem breiten Spektrum von zwei- und drei­dimen­sio­nalen Materialien erzeugen, von Isolatoren mit großen Band­lücken wie Diamant und Silizium bis hin zu Graphen und anderen Halb­metallen. Lang­fristig könnten die Erkennt­nisse des Teams zur Entwick­lung super­schneller licht­ge­steuerter elek­tro­nischer Schalter beitragen – dem Bereich der Peta­hertz-Elektronik, wo elektronische Bewegungen sowohl zeitlich als auch räumlich gesteuert werden müssen.

MPSD / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  O. Neufeld et al.: Light-Driven Extremely Nonlinear Bulk Photogalvanic Currents, Phys. Rev. Lett. 127, 126601 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.126601
• Abt. Theorie, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg