13.04.2023 • PhotonikMaterialwissenschaften

Wie sich Elektronen mit Licht einkleiden

Entstehung exotischer energetischer Zustände in einem Kristall beobachtet.

Neue Material­eigen­schaften, blitz­schnell und nach Wunsch – diese Vision wird durch jüngste Erkenntnisse einer europa­weiten Forschungs­gruppe genährt. Das Team nutzt ultrakurze und starke Lichtfelder, um direkt zu beobachten, wie in einem Kristall exotische energetische Zustände entstehen, so genannte Floquet-Bänder.

Abb.: Suguru Ito von der Uni Marburg führte an einer...
Abb.: Suguru Ito von der Uni Marburg führte an einer Ultra­hoch­vakuum-Appa­ra­tur die Messungen durch, die den schnellen Aufbau exo­tischer Quanten­zu­stände nach­wiesen. Rechts im Bild sieht man den Elek­tro­nen­ana­ly­sator. (Bild: J. Güdde, PU Marburg)

„Die Entdeckung neuer Material­eigen­schaften hängt üblicher­weise von unserer Fähigkeit ab, die chemische Zusammen­setzung des Materials zu kontrol­lieren“, sagt Ulrich Höfer von der Uni Marburg. „Die rein optische Beeinflussung von Material­eigen­schaften hingegen könnte die Physik in eine neue Ära führen, indem sie neue Funktionen nach Bedarf ermöglicht.“

Regt man Elektronen periodisch mit starkem Licht an, so führt dies zu exotischen Quanten­effekten: Die periodischen Störungen durch das starke Lichtfeld bewirken, dass die Elektronen nicht nur einen fest­stehenden Energie­zustand besitzen, sondern viele Energie­zustände in gleich­mäßigem Abstand. „Der ursprüng­liche Energie­zustand umgibt sich gewisser­maßen mit mehreren Hüllen aus Licht“, erklärt Rupert Huber von der Uni Regensburg. Experten sprechen hierbei von Floquet­bändern. „Die dynamischen Eigen­schaften solcher Zustände – also zum Beispiel die Frage, wie lange Elektronen brauchen, um sich mit Licht einzukleiden – blieben bislang jedoch unbekannt“, führt Huber aus.

Das Team nutzte die Methode der Photo­elektronen­spektro­skopie, mit der es die Oberfläche eines Kristalls untersuchte. „Wir gingen mit unseren Messungen über die Grenze dessen hinaus, was sich bis dato mit dieser Spektro­skopie an Zeit­auf­lösung bei starken Licht­feldern realisieren ließ“, hebt Suguru Ito von der Uni Marburg hervor. Dadurch gelang dem Team eine unvorher­gesehene Entdeckung. „Über­raschender­weise bilden sich die Floquet­bänder schon nach einem einzigen optischen Zyklus aus, also in sehr kurzer Zeit“, so der Forscher.

„Die Gutachter konnten das zunächst kaum glauben“, erinnert sich Höfer. Doch die eindeutigen experi­men­tellen Resultate werden durch theoretische Model­lie­rungen gestützt, die Michael Schüler vom Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz und Michael Sentef vom MPI für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg beisteuerten.

„Unser Experiment eröffnet die Möglichkeit, eine Vielzahl von vorüber­gehenden Quanten­zuständen sichtbar zu machen“, ergänzt Huber „Das ebnet den Weg zu maßge­schneiderten Quanten­funktionen und zu ultra­schneller Elektronik.“

PU Marburg / U. Regensburg / RK

Weitere Infos

 

 

 

ContentAd

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Die HiPace 10 Neo ist ein effizienter, kompakter Allrounder für den Prüfalltag, der geräuscharm und besonders energieeffizient ist.

EnergyViews

EnergyViews
Dossier

EnergyViews

Die neuesten Meldungen zu Energieforschung und -technologie von pro-physik.de und Physik in unserer Zeit.

Meist gelesen

Themen