Photonenschauer durch zurückfallende Elektronen

Mit intensiver Infrarotstrahlung lassen sich Elektronen über Tunneleffekte in Halbleitern aus dem Valenzband in das Leitungsband heben. Gelangen sie – angetrieben durch zusätzlich einfallende Terahertzstrahlung in die zurückgelassenen Elektronenlöcher zurück, entstehen energiereiche Photonen. Physiker an der University of California in Santa Barbara analysierten diese Prozesse nun genauer und erzeugten Lichtteilchen, die sich bis zur 18. Hohen Harmonischen über einen weiten Energiebereich verteilten. Ihre Versuche erlauben nicht nur neue Einblicke in das Ionisationsverhalten von Halbleitern, sondern könnten wegen der Schnelligkeit der Vorgänge zu optischen Schaltelementen führen, die Datenraten von einigen Terabit pro Sekunde verarbeiten könnten.

Für ihre Versuche bestrahlten Mark Sherwin und seine Kollegen eine Struktur aus einem Verbindungshalbleiter bestehend aus den Elementen Indium, Gallium, Aluminium und Arsen mit intensivem Laserlicht aus einem Nah-Infrarotlaser. Dank der hohen Intensität des verwendeten Laser mit etwa 10¹³ Watt pro Quadratzentimeter wurden so Elektronen vom Valenz- in das Leitungsband gehoben. So entstanden Exitonen – Quasiteilchen aus Elektronen und Elektronenlächern. Zusätzlich ließen die Forscher linear polsarisierte Terahertzstrahlung aus einem Freien-Elektronen-Laser auf diesen angeregten Halbleiter einstrahlen. Im Takt mit der Frequenz der Terahertzstrahlung fielen die Elektronen wieder in ihre Löcher zurück und erzeugten dabei die energiereichen Photonen.

Die bei diesen Rekombinationen erzeugten Lichtteilchen analysierten die Forscher genauer und konnten ein fast bandartiges Spektrum der Energieverteilung zwischen 1,44 und 1,49 Elektronenvolt messen. Diese Energiewerte lassen sich mit Hohen Harmonischen der anregenden Laserfrequenz erklären. Nachweisbar waren dabei Photonen, die der 18. Hohen Harmonischen entsprachen. Die Intensität der Photonen nahm dabei nur relativ wenig von der ersten bis zur letzten detektierbaren Hohen Harmonischen ab. Zur Kontrolle führten Sherwin und Kollegen diese Versuche zusätzlich mit zirkular-polarisiertem Terahertzlicht durch. Gemäß ihren Erwartungen konnten dabei keine höher energetischen Photonen nachgewiesen werden.

Fallen diese Experimente mit der Erzeugung Hoher Harmonischer heute noch in den Bereich der Grundlagenforschung, sind zukünftig durchaus konkrete Anwendungen vorstellbar. Denn der Spektralberich der genutzen Nah-Infrarot-Strahlung kann auch für einen optischen Transport digitaler Daten genutzt werden. Auf der Basis der extrem schnellen Rekombinationen mit der beobachteten Erzeugung von Photonen sind optische Schaltmodule vorstellbar, die Datenraten von einigen Terabit pro Sekunden mühelos bewältigen könnten.

Jan Oliver Löfken

OD