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Ultraschnelle Kontrolle von Elektronen in Graphen – veröffentlicht in Phys. Rev. Lett.

Wie schnell lassen sich Elektronen in einem leitenden Material kontrollieren? Dies ist eine fundamentale Frage, die dazu führen könnte, die Geschwindigkeit moderner Elektronik zu erhören. Sie bestimmt, wie schnell Daten und Signale und damit Informationen übertragen werden können. In unserem aktuellen Beitrag, welcher kürzlich in Physical Review Letters erschienen ist, gehen wir dieser Fragestellung auf den Grund. Zusammen mit der Gruppe von Prof. Heiko Weber zeigen wir experimentell, dass es möglich ist, Elektronenströme mit Laserfeldern innerhalb des atomar dünnen Halbmetalls Graphen zu lenken. Dazu verwenden wir ultrakurze Laserpulse, die es uns ermöglichen, eine zeitliche Auflösung von weniger als einer Femtosekunde (1 Femtosekunde ist 10 hoch -15 Sekunden, also eine Billiardstelsekunde) zu erhalten. Damit zeigen wir, dass Ströme 1000-mal schneller geschaltet werden können, als dies zum Beispiel in modernen Transistoren möglich ist. In der Zukunft könnten so Bauteile möglich werden, die mit Taktfrequenzen im Bereich von Petahertz arbeiten, was 1 Million Gigahertz entspricht.

Extreme Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Wird ein Photon von einem Material absorbiert, kann ein Elektron vom Valenz- in das Leitungsband angeregt werden. In der Regel kann diese Licht-Materie-Wechselwirkung perturbativ behandelt werden. Das bedeutet, dass der Impulsübertrag vom Photon auf das Elektron vernachlässigt werden kann. Diese Näherung gilt jedoch nicht, wenn kurze und intensive Laserfelder angelegt werden. In diesem Fall verhalten sich die Elektronen wie eine quantenmechanische Welle, die angetrieben vom Laserfeld durch das Material getrieben wird. In einer früheren Publikation haben wir bereits gezeigt, dass diese Elektronenwelle unterschiedliche Quantenpfade im Material durchlaufen kann und diese Pfade interferieren können. Je nachdem ob die Interferenz konstruktiv oder destruktiv ist, kann die Stromrichtung beeinflusst werden.

Wird ein zweiter Laserpuls, der senkrecht zum ersten Puls polarisiert ist, auf diese Elektronenwelle gesendet, können wir die Quantenpfade nun in zwei Dimensionen steuern (siehe Abbildung). Abhängig von der genauen Form der beiden Laserwellen und der zeitlichen Verzögerung zwischen ihnen ist es möglich, die Quantenpfadinterferenz ein- und auszuschalten und damit die Stromrichtung zu steuern. Bemerkenswert ist, dass bei diesem Prozess die Kohärenz der Elektronen erhalten bleibt, das heißt, dass das Elektron seine Wellencharakteristik während der Licht-Materie-Wechselwirkung behält, auch bei Raumtemperatur.
Unsere Ergebnisse sind sowohl für die Grundlagenforschung wie auch zukünftige Anwendungen interessant, da sie es ermöglichen, Prozesse zu untersuchen, die auf einer extrem kurzen Zeitskala ablaufen. Dies beinhaltet zum Beispiel die Fragestellung, wie lange es dauert, bis ein Elektron die Präsenz anderer Elektronen spürt. Ein Anwendungsgebiet könnte, wie oben bereits diskutiert, die Elektronik darstellen, da es möglich sein wird, Ströme mit einer Frequenz von Petahertz zu steuern, was in zukünftiger Elektronik verwendet werden könnte.

Unser Beitrag ist gerade in PRL erschienen und von den Herausgebern hervorgehoben worden. Daher hat PRL auch eine Zusammenfassung dazu verfasst, die hier zu finden ist. Unsere FAU-Pressemitteilung ist hier zu finden ist.