Präziser Blick auf Bandstrukturen

Die Entwicklung neuer Technologien von ultra­kompakter Elektronik über hoch­effiziente Solarzellen bis hin zu Quanten­computern ist eng mit der Entdeckung neuer Materialien verknüpft. Dabei sind in den letzten Jahren insbesondere zwei­dimensionale Kristalle ins Blickfeld der Forschung gerückt. Von diesen Schicht­materialien lassen sich einzelne Atomlagen abziehen und wie in einem mikroskopischen Lego-Baukasten zu neuen künstlichen Strukturen stapeln, deren ungewöhnliche Quanteneigenschaften maßgeschneidert werden können. Um Materialien­kombinationen mit Anwendungs­potenzial herstellen zu können, werden allerdings tief­greifende Kenntnisse ihrer elek­tronischen Eigenschaften benötigt. Dies gelang nun einer internationalen Gruppe um Forscher der Universität Regensburg. Mit ultrakurzen Lichtblitzen bestimmten sie die genaue elek­tronische Struktur von Quanten­materialien mit einzig­artiger Präzision.

Die entscheidende Rolle spielt dabei die Bandstruktur der Elektronen. Doch die derzeit gängigen Analyse­methoden zur Bestimmung der elek­tronischen Struktur lassen sich meist nur schwer auf atomar dünnen Schichten anwenden. Zum einen sind deren laterale Dimensionen meist zu klein, zum anderen erfordert die genaue Untersuchung oft äußerst komplexe experimentelle Aufbauten, was die Untersuchung dieser neuartigen Systeme zusätzlich erschwert. Eine Kooperation der Arbeits­gruppe von Rupert Huber am Institut für Experi­mentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg mit den Gruppen von Stephan W. Koch von der Universität Marburg undMackillo Kira von der University of Michigan entwickelte nun eine Methode, mit der die elek­tronische Struktur atomar dünner Materialien einfach und sprich­wörtlich blitzschnell bestimmt werden kann.

Dazu wurden Elektronen mit Hilfe eines kurzen Licht­blitzes in das Leitungsband angeregt, wo sie sich frei bewegen können. Ein zweiter, intensiver Lichtblitz beschleunigt sie dann über weite Bereiche dieses Leitungsbandes. Dabei folgt die Bewegung der Elektronen, wie bei der Abfahrt eines Skifahrers auf einer Buckelpiste, der Form des Leitungsbandes. Dies führt dazu, dass ein schwacher Lichtblitz erzeugt wird, der den Forschern Aufschluss über die Bewegung der Elektronen im Kristall und damit der zugrunde­liegenden Bandstruktur liefert.

Die Forscher machten sich dabei die Wellen­eigenschaften von Elektronen zu Nutze, wodurch stehende Elektronen­wellen im Kristall ausgebildet wurden. Diese stehenden Wellen besitzen wie ein Kamm, Zinken und Lücken. Die Loka­lisierung der Elektronen in den Zinken des Kamms ermöglicht eine Bestimmung der elek­tronischen Struktur mit einzig­artiger Präzision. Dem Team ist es nun erstmals gelungen, diese spektralen Fingerabdrücke direkt mit der elek­tronischen Struktur des Materials in Verbindung zu bringen. „Diese neuartige Methode eröffnet uns die Möglichkeit die Bandstruktur neuer Quanten­materialien selbst in Umgebungs­luft zu untersuchen und viel zielge­richteter denn je nach neuartigen Quanteneffekten in maßge­schneiderten Materialien zu suchen“, sagt Christoph Schmid von der Universität Regensburg.

U. Regensburg / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Borsch et al.: Super-resolution lightwave tomography of electronic bands in quantum materials, Science 370, 1204 (2020); DOI: 10.1126/science.abe2112
• Ultraschnelle Quantenelektronik und Photonik, Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Regensburg 
• Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, Ann Arbor