Tempolimit für Elektronen

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Tausendmal schnellere Elektronik klingt fantastisch, aber nicht unmöglich. Man müsste „nur“ den Strom in einem Chip mit dem elektrischen Feld von Licht schalten.

In modernen Computern steuern winzige Schaltelemente elektrische Ströme in Bruchteilen einer Milliardstel Sekunde. Bereits heute arbeiten sie mit Frequenzen von mehreren Gigahertz (eine Milliarde Schwingungen pro Sekunde) bis hin zu Terahertz (eine Billion Schwingungen). Die nächste Generation der Elektronik wird daher über kurz oder lang in den tausendmal schnelleren Petahertz-Bereich vorstossen müssen.

Ob und wie sich Elektronen allerdings derart schnell kontrollieren lassen, ist bislang noch weitgehend unbekannt. Wissenchaftler an der ETH Zürich haben nun in einem grundlegenden Experiment untersucht, wie Elektronen auf Petahertz-Felder reagieren.

Dazu setzten sie ein 50 Nanometer dickes Stück Diamant einem wenige Femtosekunden (der Millionstel Teil einer Milliardstel Sekunde) dauernden Laserpuls im Infrarotbereich aus. Das elektrische Feld dieses Laserlichts, das eine Frequenz von etwa einem halben Petahertz aufweist, schwang in dieser kurzen Zeit fünfmal hin und her und regte so die Elektronen an.

Elektronen in Diamanten

Grundsätzlich lässt sich die Wirkung elektrischer Felder auf Elektronen in durchsichtigen Materialien indirekt messen, indem man Licht durch das Material schickt und beobachtet, wie stark es von diesem absorbiert wird. Während solche Messungen für konstante elektrische Felder einfach sind, stellen die extrem rasch schwingenden Felder eines Laserstrahls die Forscher vor eine schwierige Aufgabe.

Im Prinzip sollte das Licht, mit dem die Absorption gemessen wird, nur jeweils für einen Bruchteil der Schwingungsperiode des elektrischen Feldes angeschaltet werden. Dies aber bedeutet, dass ein solcher Mess-Puls weniger als eine Femtosekunde dauern darf. Zudem muss genau bekannt sein, in welcher Schwingungsphase sich das elektrische Feld des Laserpulses befindet, wenn der Mess-Puls eingeschaltet wird.

Simulierte Petahertz-Elektronik

In ihren neuesten Experimenten benutzten die ETH-Forscher Lichtpulse im extremen Ultraviolettbereich mit Wellenlängen von circa 30 Nanometern, die nur einen Bruchteil einer Femtosekunde andauern und zudem perfekt mit der Schwingungsphase eines Infrarotpulses synchronisiert sind. Damit konnten mit dem elektrischen Feld des Infrarotpulses die Elektronen im Diamanten angeregt und gleichzeitig die daraus resultierenden Absorptionsänderungen mit dem Attosekunden-Ultraviolettpuls gemessen werden. Tatsächlich sahen sie, dass sich diese im Rhythmus des schwingenden elektrischen Feldes des Infrarot-Laserpulses auf charakteristische Weise änderte.

Um allerdings im Detail zu verstehen, was dabei innerhalb des Diamanten vor sich ging, war noch einige Detektivarbeit nötig. Zunächst simulierten Forscher an der Tsukuba University in Japan in Zusammenarbeit mit den ETH-Physikern die Reaktion der Diamant-Elektronen auf den Infrarotpuls mithilfe eines Supercomputers und fanden dasselbe Absorptionsverhalten, das in Zürich gemessen wurde. Diese Simulationen enthielten das komplexe Zusammenspiel der Elektronen im Kristallgitter des Diamanten, das sich in einer Vielzahl so genannter Energiebänder niederschlägt, in denen sich die Elektronen befinden können.

Der Vorteil der Simulationen gegenüber dem Experiment ist, dass man verschiedene dieser Effekte, die im realen Diamanten auftreten, ein- und ausschalten kann, sodass schließlich das charakteristische Absorptionsverhalten des Diamanten auf nur zwei Energiebänder zurückgeführt werden konnte.

Beeinflussbare Elektronen

Diese Erkenntnis war letztendlich entscheidend für die Interpretation der Messdaten. Aus ihr konnten die Forscher folgern, dass der dynamische Franz-Keldysh Effekt für die Absorption im Diamanten unter Einfluss des Infrarot-Laserpulses verantwortlich war. Während der Franz-Keldysh Effekt für statische elektrische Felder seit Jahren bekannt und gut verstanden ist, war sein dynamisches Gegenstück für extrem schnell schwingende Felder bisher noch nie beobachtet worden.

Der Umstand, dass der Effekt auch bei Petahertz-Anregungsfrequenzen immer noch beobachtet werden konnte, bestätigte die Forscher, dass sich die Elektronen tatsächlich am Tempolimit des Petahertz-Laserfeldes beeinflussen lassen.

Die dynamische Wechselwirkung ist auch von grundlegendem Interesse, da sie in einem Bereich auftritt, der weder klar von quantenmechanischer noch klar von klassischer Licht-Materie-Wechselwirkung dominiert wird. Dies bedeutet, dass sowohl physikalische Effekte eine Rolle spielen, bei denen Licht in Form von Energiequanten (Photonen) ins Spiel kommt, als auch solche, in denen es ein klassisches elektromagnetisches Feld darstellt.

Die nun publizierte Arbeit hat gezeigt, dass die Reaktion des Materials auf das optische Feld durch die Elektronenbewegung in einem einzelnen Energieband statt durch Übergänge zwischen verschiedenen Bändern dominiert wird. In ähnlichen Experimenten war bislang unklar, was genau vor sich geht.

Bis zur Petahertz-Elektronik ist es zwar noch ein weiter Weg, und andere physikalische Effekte könnten zudem leistungsbeschränkend wirken. Die neuen Ergebnisse zeigen aber, dass man bei solch hohen Frequenzen noch immer Elektronen mit elektrischen Feldern steuern und schalten kann. Zudem ist Diamant ein wichtiges Material, das in einer Vielzahl von Technologien von der Optomechanik bis hin zu Biosensoren Anwendung findet. Ein genaues Verständnis der Wechselwirkung mit Lichtfeldern ist daher fundamental.

 

Tempolimit-Elektronen