06.07.2022

Phononendynamik im Laserlicht

Höhere Harmonische offenbaren Bewegungen in hexagonalem Bornitrid.

Laserlicht kann die Eigenschaften fester Materialien radikal verändern und sie sehr schnell supra­leitend oder magnetisch machen oder in andere Zustände versetzen. Das intensive Licht bewirkt diese Verän­derungen innerhalb von Millionstel Milliardstel Sekunden, indem es die Atomgitter­struktur des Materials schüttelt und die Elektronen in Bewegung versetzt. Aber was genau geschieht auf dieser elementaren Ebene? Wie bewegen sich die Atome und Elektronen tatsächlich? Jetzt hat ein Team von Theo­retikern am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg einen neuen Weg gefunden, um diese atomaren Bewegungen zu beleuchten.

Abb.: Ein Terahertz-Puls regt Phononen in einer hBN-Schicht an. Ein...
Abb.: Ein Terahertz-Puls regt Phononen in einer hBN-Schicht an. Ein anschließender inten­siver IR-Laserpuls sondiert die momen­tanen Positionen der Atome durch die Erzeugung von hochhar­monischer Strahlung. (Bild: J. Harms, MPSD)

Nun beschreiben die Forscher, wie ein Laserpuls eine Licht­emission mit höheren Frequenzen aus dem Material erzeugt, die höheren Harmonischen. Dieses hochener­getische Licht bleibt jedoch nicht gleich, sondern ändert sich mit jeder Bewegung des Gitters. Durch ihre wechselnde Intensität liefern die hohen Harmonischen Schnapp­schüsse der Bewegungen der Atome und Elektronen zu jedem genauen Zeitpunkt. Das Team untersuchte eine Monoschicht aus hexa­gonalem Bornitrid (hBN) mit einer Dicke von nur einem Atom, deren Gitter in einigen zehn Femto­sekunden zu Schwingungen angeregt werden kann.

Nachdem ein erster Pump-Laserpuls kollektive Bewegung der Atome im Material ausgelöst hat, verstärkt ein zweiter Infrarot-Laserpuls die Bewegung der Elektronen, so dass sie Licht mit neuen Frequenzen - den hohen Harmonischen - aussenden. Diese enthalten Informationen über die Gitter­schwingungen – Phononen – und geben Wissenschaftlern dadurch detaillierte neue Einblicke in diese atomaren Bewegungen. Die Ergebnisse stellen einen großen Fortschritt im Verständnis der grund­legenden Veränderungen in einem festen Material dar, das von einem intensiven Laser bestrahlt wird. Der Ansatz trumpft zudem mit seiner Effizienz, denn bislang konnten diese elementaren Bewegungen nur mit weitaus fortschritt­licheren Lichtquellen beobachtet werden.

Darüber hinaus zeigten die Wissen­schaftler, dass auch die Phasen des ersten Lasers die Wechsel­wirkung zwischen dem Licht und der hBN-Schicht beeinflussen, sobald ihre Atome zu schwingen beginnen. So können Forschende bestimmen, welche Bewegung im Gitter durch welche Phase im optischen Zyklus des Lasers ausgelöst wurde. Das Team hat somit eine leistungs­starke spektro­skopische Technik mit extremer zeitlicher Auflösung entwickelt. Mit diesem Ansatz können Gitterbewegungen bis auf eine Femto­sekunde genau aufgezeichnet werden – und zwar ohne technisch weitaus aufwändigere hochener­getische Röntgen­strahlen oder Attosekunden­pulse.

„Das wichtigste Ergebnis dieser Arbeit besteht darin, dass sie eine Grundlage liefert, um zu verstehen, welche Rolle Phononen in nichtlinearen Licht-Materie-Wechsel­wirkungen spielen“, sagt Ofer Neufeld aus der Theorie­abteilung des MPSD. „Mit diesem Ansatz können wir die Femto­sekunden-Struktur­dynamik in Festkörpern untersuchen, einschließlich der Phasen­übergänge, gemischten Licht-Materie-Zustände und auch der Kopplung zwischen Elektronen und Phononen."

MPSD / JOL

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