01.08.2018

Nachweis der Wannier-Stark-Lokalisierung

Ultrakurze Lichtpulse offenbaren den Effekt in einem Galliumarsenid-Kristall.

Wissen­schaftlern der Univer­sität Konstanz und der Univer­sität Paderborn ist es gelungen, die Wannier-Stark-Loka­lisierung erstmalig zu realisieren und nachzu­weisen. Die Physiker haben damit Hürden überwunden, die auf dem Gebiet der Opto­elektronik und Photonik lange als unüber­windbar galten. Bei der Wannier-Stark-Loka­lisierung wird das elektrische System eines Festkörpers in ein extremes Ungleich­gewicht gebracht.

Abb.: Detail des Versuchsaufbaus im Konstanzer Hochfeld-Terahertzlabor. Unter den extremen Bedingungen des Experiments ist aus dem angeregten Galliumarsenid-Halbleiterkristall ein helles rotes Leuchten zu sehen. Dieses hat seinen Ursprung in der äußerst hohen optischen Nichtlinearität des Systems, die unter den Bedingungen der Wannier-Stark-Lokalisierung vorliegt. (Bild: U. Konstanz)

„Es handelt sich um einen grund­legenden Effekt, der schon vor über achtzig Jahren vorhergesagt wurde, von dem aber nicht klar war, ob sich dieser Zustand in einem Volumen­kristall realisieren lässt, also auf der Ebene der chemischen Bindungen zwischen den Atomen“, sagt Alfred Leitens­torfer, Professor für Ultrakurzzeitphysik und Photonik an der Univer­sität Konstanz. Der Zustand lässt sich nur für minimale Zeiträume aufrecht­erhalten, die kürzer als eine infrarote Licht­schwingung sind. Die Wannier-Stark-Loka­lisierung konnte mit den Konstanzer Ultrakurzzeit-Laser­systemen erstmals festgehalten werden. Der Nachweis erfolgte in einem hochreinen Gallium­arsenid-Kristall, der an der ETH Zürich durch epitak­tisches Wachstum gezüchtet wurde.

Zur Veranschau­lichung des Effekts lassen sich die Atome eines Kristalls wie ein dreidimensionales Gitter aus kleinen Kügelchen vorstellen, die sich gegen­seitig abstoßen und nur von Gummibändern zusammen­gehalten werden. Solange die Abstoßung genauso stark ist wie das Gummiband, ist das System stabil: Die Kügel­chen werden dann weder enger zusammen­gezogen, noch entfernen sie sich von­einander, sondern bleiben auf etwa gleichem Abstand. Die Wannier-Stark-Loka­lisierung tritt auf, wenn die haltgebenden Gummi­bänder sehr schnell entfernt werden. Es ist der elek­tronische Zustand in exakt jenem Augen­blick, wenn die Gummi­bänder bereits weg sind, aber noch bevor die Kugeln auseinander­fliegen: Die chemischen Bindungen, die den Kristall zusammen­halten, wurden aufgehoben.

Wird dieser Zustand zu lange aufrecht­erhalten, fliegen die Kugeln auseinander und der Kristall löst sich auf. Um den Zustand der Wannier-Stark-Loka­lisierung zu ana­lysieren, mussten die Physiker folglich zunächst die halt­gebenden Kräfte entfernen, dann das System im Bruchteil einer Licht­schwingung mittels Licht­impulsen erfassen und anschließend schnell genug wieder stabi­lisieren, bevor die Atome auseinander­fliegen. Ermöglicht wurde dies durch das hochintensive elektrische Feld eines ultra­kurzen Infrarot-Licht­impulses, das nur sehr kurzfristig für wenige Femtosekunden im Kristall präsent ist. „Das ist eine unserer Spezia­litäten: Phänomene zu untersuchen, die nur auf ganz kurzen Zeitskalen exis­tieren“, erläutert Leitens­torfer.

Abb.: Experimentskizze zur Wannier-Stark-Lokalisierung von Elektronen: Eine intensive infrarote Lichtwelle (rot) setzt für kurze Zeiten einen Halbleiterkristall aus Gallium-Arsenid (GaAs, gelb) unter ein hohes elektrisches Feld. Extrem kurze Abtastimpulse im sichtbaren Spektralbereich (blau) werden genutzt, um zeitaufgelöst die charakteristischen Änderungen der optischen Absorption des Halbleiterkristalls zu analysieren. (Bild: U. Konstanz)

„In perfekten Isolatoren und Halb­leitern sind die elek­tronischen Zustände über den gesamten Kristall ausgedehnt. Das sollte sich laut einer schon etwa achtzig Jahre alten Vorhersage ändern, wenn man eine elek­trische Spannung anlegt“, erklärt Torsten Meier von der Universität Paderborn. „Wenn das elek­trische Feld im Inneren des Kristalls stark genug ist, können die elektronischen Zustände auf wenige Atome loka­lisiert werden. Dieser Zustand wird Wannier-Stark-Leiter genannt“, so der Physiker. „Ein System, das so starke Abweichungen von seinem Gleichgewichts­verhalten zeigt, hat ganz neue Eigen­schaften“, erklärt Leitens­torfer das besondere wissen­schaftliche Interesse an diesem Zustand: Die kurz­zeitige Wannier-Stark-Loka­lisierung geht einher mit drastischen Verän­derungen der elek­tronischen Struktur des Kristalls und führt beispiels­weise zu einer extrem großen optischen Nicht­linearität. Darüber hinaus vermuten die Physiker eine besonders hohe chemische Reaktivität in diesem Zustand.

Die erstmalige experimen­telle Realisierung der Wannier-Stark-Loka­lisierung in einem Gallium­arsenid-Kristall wurde durch hoch­intensive Terahertz-Strahlung mit Feldstärken von mehr als zehn Millionen Volt pro Zenti­meter möglich. Nachge­wiesen wurde dieser Zustand dann über die Veränderung der optischen Eigen­schaften mittels weiterer ultrakurzer optischer Licht­impulse. „Verwendet man geeignete intensive Licht­impulse, die aus nur wenigen Schwingungen mit Perioden­dauern von einigen zehn Femto­sekunden bestehen, kann die Wannier-Stark-Loka­lisierung in einem kurzen Zeitfenster realisiert werden“, so Leitenstorfer. „Die Messergebnisse stimmen mit theoretischen Über­legungen und Simu­lationen überein, die in den Arbeitsgruppen meines Kollegen Wolf Gero Schmidt und mir durch­geführt wurden“, ergänzt Torsten Meier. Der extreme Materie­zustand der Wannier-Stark-Loka­lisierung soll zukünftig insbe­sondere auf atomarer Skala detail­lierter untersucht und dessen besondere Eigen­schaften nutzbar gemacht werden.

U. Konstanz / JOL

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