Quantenphysik

Rasante Reise durchs Kristallgitter

Wie schnell ein Elektron durch die Atomlagen eines Kristallgitters flitzt, hat ein internationales Team um Forscher der Technischen Universität München und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching gemessen. Mithilfe extrem kurzer Laserpulse stoppten die Physiker die Geschwindigkeit: Demnach braucht ein Elektron 40 Attosekunden, um eine Lage von Magnesiumatomen zu durchdringen. Die genaue Kenntnis, wie Elektronen sich durch ein Material bewegen, könnte bei der Entwicklung kleinerer und schnellerer elektronischer Bauteile helfen.

Elektronen im Blick: Reinhard Kienberger inspiziert die ein Experiment an der Attosekunden-Beamline, mit der er und seine Kollegen die Bewegung von Elektronen untersuchen. (Bild: Thorsten Naeser)

Fast unvorstellbar kurz sind die Zeitdimensionen, in denen sich Elektronen innerhalb von Atomen bewegen. Werden sie etwa durch Licht angeregt, dann ändern sie ihren quantenmechanischen „Aufenthaltsort“ in nur Attosekunden-langen Zeitspannen. Nun hat ein internationales Forscherteam um Reinhard Kienberger, Professor für Laser- und Röntgenphysik an der Technischen Universität München und Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, bestimmt, wie lange ein Elektron für den Weg durch eine einzelne Atomlage benötigt. Demnach saust ein Elektron aus einem Wolframkristall in 40 Attosekunden durch eine Lage aus Magnesiumatomen, die nur wenige Milliardstel Meter dick ist.

Ein ultravioletter Attosekundenpuls löst Elektronen aus Magnesium und Wolfram
Für ihr Experiment, an dem auch Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München sowie der Technischen Universität Wien mitwirkten, brachten die Physiker auf einen Wolframkristall eine definierte Anzahl von Lagen aus Magnesiumatomen auf. Auf diese Proben schickten die Forscher zwei Lichtpulse. Der erste Lichtpuls dauerte rund 450 Attosekunden, bei Frequenzen im extremen Ultraviolett. Dieser Lichtblitz drang in das Material ein und löste sowohl aus den Magnesiumlagen als auch aus dem darunter liegenden Wolframkristall je ein sehr nahe am Atomkern gelegenes Elektron heraus.

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Das „Wolframelektron“ und das „Magnesiumelektron“ bewegten sich nach ihrer Freisetzung durch den Kristall bis an dessen Oberfläche, an der sie den Festkörper verließen. (Elektronen aus dem Wolframkristall konnten maximal vier Lagen von Magnesiumatomen durchdringen.) Dort wurden die Teilchen vom elektrischen Feld des zweiten Lichtpulses erfasst, einem infraroten Wellenzug mit einer Dauer von weniger als 5 Femtosekunden.

Stoppuhr für Elektronen: Ein Laserpuls (rot) und ein extrem-ultravioletter (XUV) Attosekundenpuls (violett) treffen auf eine Oberfläche aus Schichten von Magnesiumatomen (dunkelblau). Darunter befindet sich ein Kristallgitter aus Wolfram (grün). Der XUV-Puls schlägt aus den Wolframatomen Elektronen heraus. Mit dem Laserpuls können die Physiker anschließend messen, wie lange die Wolframelektronen benötigen, um die Magnesiumschichten zu durchdringen. (Bild: Christian Hackenberger)

Ein Beitrag, um kleinere uns schnellere Transistoren zu entwickeln
Da das „Wolframelektron“ und das „Magnesiumelektron“ aufgrund unterschiedlich langer Wege auch zu unterschiedlichen Zeiten an der Oberfläche ankamen, spürten sie den zweiten, infraroten Lichtpuls zu verschiedenen Zeiten, das heißt sie erfuhren unterschiedliche Stärken des oszillierenden elektrischen Feldes. Demzufolge wurden beide Teilchen auch unterschiedlich stark beschleunigt. Aus den daraus resultierenden Energieunterschieden der Elektronen konnten die Forscher ermitteln, wie lange ein Elektron benötigte, um eine Lage von Atomen zu durchqueren.

Die Experimente geben Aufschluss darüber, wie Elektronen sich im Mikrokosmos bewegen. Das Wissen, wie schnell sich ein Elektron von einem Ort zum anderen bewegt, ist auch für Anwendungen von Bedeutung: „Während sich beispielsweise in heutigen Transistoren eine Vielzahl von Elektronen über immer noch große Strecken bewegt, könnten in Zukunft einzelne Elektronen ein Signal über Nanostrukturen übermitteln“, sagt Reinhard Kienberger. „Dadurch könnten elektronische Geräte, zum Beispiel auch Computer, um ein Vielfaches schneller und kleiner werden.“ Um die entsprechenden Bauteile zu entwickeln, wollen Forscher besser verstehen, wie schnell Elektronen die winzigen Distanzen in solchen Schaltelementen zurücklegen.

Originalpublikation:
Stefan Neppl, Ralph Ernstorfer, Adrian Cavallieri, Christoph Lemell, Georg Wachter, Elisabeth Bothschafter, Michael Jobst, Michael Hofstetter, Ulf Kleineberg, Johannes Barth, Dirk Menzel, Johannes Burgdörfer, Peter Feulner, Ferenc Krausz und Reinhard Kienberger: Direct observation of electron propagation and dielectric screening on the atomic length scale. Nature, 15. Januar 2015; DOI: 10.1038/nature14094.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Reinhard Kienberger
Technische Universität München
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
E-Mail:reinhard.kienberger@tum.de

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