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Superschneller Wellenritt im Kristall

Superschneller Wellenritt im Kristall

Die Entdeckung, an der die Marburger Physiker Professor Stephan Koch, Professor Mackillo Kira und Ulrich Huttner mitgewirkt haben, wird jetzt in der Fachzeitschrift „Nature“ publiziert.

Eine intensive Lichtwelle beschleunigt Elektronen durch das Kristallgitter eines Festkörpers. Dabei überlagern sich die angeregten Elektronen und senden ultrakurze Lichtblitze aus, wie man in dieser künstlerischen Aufarbeitung der „harten Daten“ aus dem Experiment sieht.Bild: Uni Regensburg

Marburg. Experimentelle Physiker der Uni Regensburg um Professor Rupert Huber haben zusammen mit drei Kollegen der Theoretischen Halbleiterphysik der Uni Marburg geschafft, die durch einen starken Lichtimpuls im mittleren Infrarot getriebene Elektronenbewegung in einem Halbleiter direkt zu beobachten und theoretisch zu modellieren.

Das Experiment an der Regensburger Terahertz-Hochfeldquelle erlaubt es damit zum ersten Mal, die von den durch das Kristallgitter eines Festkörpers beschleunigten Elektronen ausgesandte Strahlung gleichzeitig mit dem treibenden Lichtfeld zu messen. Der Trick: Die Regensburger Wissenschaftler entwickelten eine Technik, in der man die superschnellen Bewegungen in einer extrem verlangsamten Zeitlupe beobachten konnte.

Sie werden als ultrakurze Lichtblitze abgestrahlt, deren Emissionszeitpunkt nun mit einer Genauigkeit von einer Femtosekunde - dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde - bestimmt werden konnte. Die Experimente an der Universität Regensburg basieren auf den bereits vor rund zehn Jahren aufgestellten theoretischen Vielteilchen-Berechnungen der Marburger Physiker, erläuterte Professor Koch im Gespräch mit der OP. Diese Theorien griff Huber auf, der schon seit Jahren mit den Marburger Physikern kooperiert.

Er konstruierte ausgehend davon experimentelle Aufbauten. Dann fragte er das Team um Professor Koch, ob man die Theorien darauf konkret anwenden könne. Beim Vergleich zwischen Theorie und Experiment entdeckten die Forscher etwas Unerwartetes: Die Energie der Elektronen war innerhalb einer extrem kurzen Zeitspanne nach ihrer Anregung durch das starke Lichtfeld zunächst nicht eindeutig bestimmt. Die Elektronen befanden sich vielmehr in oszillierenden Mischzuständen, die sich je nach Richtung des Lichtfeldes gegenseitig auslöschten oder verstärkten. Während quantenmechanische Effekte dieser Art meist nur auf besonders kleinen Längenskalen und bei minimalinvasiven Messmethoden sichtbar werden, verhält sich das neu entdeckte Phänomen genau umgekehrt: Je stärker das treibende Lichtfeld, desto ausgeprägter der Effekt.

Lichtwellen: schnellerals derzeitige Elektronik

Diese Beobachtungen könnten richtungsweisend für Konzepte zur Entwicklung einer neuartigen „Lichtwellen-Elektronik“, der Hochgeschwindigkeitselektronik der Zukunft, sein, erklärt Koch. Der nun beobachtete Effekt habe durchaus Anwendungspotenzial auf dem Weg zur Entwicklung von noch schnelleren Computern, bei denen das Schalten und Weiterleiten von Informationen nicht mehr mit Hilfe von elektrischen Strömen, sondern durch Lichtimpulse vonstattengeht. In diesem Forschungsfeld arbeiten weltweit viele Forscher daran, dass Computer kleiner und schneller werden. Die rasante Entwicklung in der Elektronik mit Taktraten bis in den Gigahertz-Bereich hat den Alltag bereits jetzt revolutioniert. Sie stellt aber Forscher vor eine zentrale Frage: Gibt es eine fundamentale Grenze für Schaltgeschwindigkeiten in der Elektronik? Alle elektronischen Bauelemente basieren auf der Bewegung von Elektronen in einem Festkörper durch ein elektrisches Feld. Wie aber realisiert man elektrische Felder, die schneller oszillieren als es die derzeitige Elektronik zulässt?

Die Antwort ist jedenfalls nach Ansicht der Marburger Forscher naheliegend. Man nutzt das schnellste elektrische Wechselfeld, das in der Natur zu finden ist: eine Lichtwelle.

von Manfred Hitzeroth

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