Materialdefekte bei spinabhängiger Petahertz-Elektronik

Die Betriebsgeschwindigkeit von Halbleitern in elektronischen und opto­elektro­nischen Geräten ist auf mehrere Gigahertz beschränkt. Die Rechen­geschwindig­keit von modernen Computern trifft dadurch auf eine Grenze. Forscher des MPI für Struktur und Dynamik der Materie und dem Indian Institute of Techno­logy in Bombay haben jetzt unter­sucht, wie diese Grenze mithilfe von Licht­wellen und Fest­körper­strukturen mit Defekten erhöht werden könnte, um noch größere Rechen­leistungen zu erreichen.

Lichtwellen schwingen im Petahertz-Bereich und haben das Potenzial, die Bewegung von Elektronen zu steuern. Im Gegensatz zu konven­tio­nellen Methoden bringt das Licht die Elektronen nicht nur in Bewegung, sondern kontrol­liert sie auch weiterhin auf ihren natür­lichen Zeit­skalen von Atto­sekunden. Eine solche Steuerung könnte die Arbeits­geschwindig­keit von Computern und anderen Geräten um mehrere Größen­ordnungen erhöhen und eröffnet zudem neue Ansätze in der Petahertz-Elektronik.

Wenn ein Festkörper intensivem, ultra­kurz­welligem Licht ausgesetzt ist, gibt er Lichtblitze mit hoher Frequenz ab. Dieser Prozess ist als High-Harmonic-Erzeugung (high harmonic generation, HHG) bekannt. Das elektrische Feld des Lasers induziert und kontrol­liert dabei die Bewegungen der Elektronen. Der so erzeugte elektrische Strom hat zwei Beiträge: einer von den Elektronen, die vom Valenz- zum Leitungs­band angeregt werden, und ein zweiter von der Bewegung der Elektronen in ihren respek­tiven Energie­bändern.

In theoretischen und experimentellen Unter­suchungen der HHG-Abläufe in Fest­körpern wurde angenommen, dass die Fest­körper frei von Defekten sind. Das trifft in der Praxis jedoch nicht zu. Durch ihre Entstehungs­prozesse sind Defekte in echten Fest­körpern unver­meidbar. Sie nehmen unter­schied­liche Formen an, von Lücken bis zu Zwischen­gitter­atomen oder Verun­reini­gungen. Bisher war nicht klar, wie diese Defekte die HHG-Abläufe und die damit verbundene Elektronen­dynamik beein­flussen können. Daher – und weil die Verwendung von Defekten der konven­tio­nellen Opto­elek­tronik sogar zugrunde liegt – ist ein besseres Verständnis davon nötig, welche Rolle Defekte in der Petahertz-Elektronik und der Spintronik spielen.

Deshalb beschäftigte sich das Forscher­team mit der wichtigen Frage: Wie beein­flussen verschiedene Arten von Defekten die Elektronen­bewegungen während der HHG? Um die Frage zu beantworten, wurde eine zwei­dimen­sionale Mono­schicht aus hexa­gonalem Bornitrid einem starken Licht­blitz aus­ge­setzt.

Sobald ein Stickstoff- oder ein Boratom fehlt, verhält sich Bornitrid als ein Elektronen­spender oder -empfänger. Das führt dazu, dass man verschiedene elektro­nische Strukturen findet und Fehl­stellen spin­polari­siert werden. Im Speziellen fand das Forschungs­team, dass Elektronen mit entgegen­gesetztem Spin verschiedene Beiträge zur HHG-Emission leisten. Auch die Auswirkung auf die Elektron-Elektron-Wechsel­wirkung ist unter­schied­lich, je nachdem ob ein Fest­körper einen Defekt besitzt oder nicht.

Das Team untersuchte auch Situationen, in denen entweder ein Stickstoff- oder ein Boratom durch ein Kohlen­stoff­atom ersetzt wird, statt ein Atom des Bornitrids zu entfernen und eine Lücke zu lassen. Wenn das Kohlen­stoff­atom ein Boratom ersetzt, ähnelt die Elektronen­dynamik der des h-BN, dem ein Stick­stoff­atom fehlt. Das Gegenteil geschieht, wenn das Kohlen­stoff­atom ein Stick­stoff­atom ersetzt: Dieses System zeigt die gleiche Dynamik wie das h-BN, dem ein Boratom entfernt wurde.

Die Untersuchung ist ein weiterer Schritt zur verbesserten Kontrolle der licht­wellen­ge­steuerten Petahertz-Spintronik durch die gezielte Verwendung von Defekten in Festkörpern.

MPSD / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. S. Mrudul et al.: High-harmonic generation from spin-polarised defects in solids, NPJ Comp. Mater. 6, 10 (2020); DOI: 10.1038/s41524-020-0275-z
• Ultrafast Lab (G. Dixit), Dept. of Physics, Indian Institute of Technology, Bombay, Indien
• Abt. Theorie (A. Rubio), Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg