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Arbeitsgruppe Theoretische Halbleiterphysik

 Forschungsprojekte

  2. TERAHERTZ-SPEKTROSKOPIE VON HALBLEITERN

Terahertz-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Infrarot- und Mikrowellen-Strahlung, sie ist also mit bloßem Auge nicht wahrnehmbar. Lange Zeit standen keine leistungsfähigen Sender und Empfänger im Wellenlängenbereich der Terahertz-Strahlung zur Verfügung. Erst in den letzten Jahren gab es eine rasante Entwicklung der Terahertz-Technologie, die schon jetzt vielfältige Anwendungen hervorbringt. Besondere Erwähnung verdient die so genannte Terahertz-Spektroskopie: Dies ist eine Analysemethode, bei der man ausnutzt, dass viele Materialien mit elektromagnetischer Strahlung besonders effektiv im Terahertz-Bereich wechselwirken. Mit Hilfe dieser Methode kann z. B. die Zusammensetzung organischer Stoffe und biologischer Systeme effizienter als bisher analysiert werden oder in der Medizin z. B. die Schwere von Verbrennungen diagnostiziert werden.
Vor einigen Jahren haben wir vorgeschlagen, die Terahertz-Spektroskopie zur Untersuchung so genannter Exzitonen in Halbleitern einzusetzen, um u. a. zu untersuchen, wie Lichterzeugung in Halbleiter-Dioden genau funktioniert. [siehe z. B. den Übersichtsartikel "Semiconductor Excitons in New Light", Nature Materials 5, 523 (2006)]. Unsere theoretischen Untersuchungen zeigten, dass Terahertz-Strahlung es erlaubt, diese Exzitonen gewissermaßen "direkt" zu beobachten, was mit herkömmlichen Methoden nicht möglich war. Dies wurde inzwischen von Experimenten bestätigt. Darüber hinaus eignet sich Terahertz-Spektroskopie ganz besonders zum Nachweis und zur Analyse korrelierter Vielteilchenzustände in Halbleitern. Im Rahmen unserer laufenden Untersuchungen beschäftigen wir uns u. a. mit dem Nachweis der kollektiven Anregungen im zweidimensionalen Elektronengas (Plasmonen), mit der Bildungs- und Zerfallsdynamik exzitonischer Zustände unter sehr verschiedenen Bedingungen sowie mit nichtlinearen Terahertz-Effekten.

 

Aktuelle Forschungsergebnisse

Forscher entwickeln Teilchenbeschleuniger für Quasiteilchen

Kollisionsexperimente in Halbleitern erfolgreich

Unser Standardmodell der Elementarteilchen basiert auf Erkenntnissen, die mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern und Kollisionsexperimenten gesammelt wurden. Ein Forscherteam der Universitäten in Regensburg, Marburg und Santa Barbara (USA) hat nun einen neuen Beschleuniger für Teilchen in Festkörpern entwickelt. Das revolutionäre Verfahren wird in der neuen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ vorgestellt.

Quasikollision
Ein Elektron (blau) und ein Loch (rot) prallen in einem Wolframdiselenid-Kristall (Gitter) zusammen. Die dabei freiwerdende Energie entlädt sich in hochenergetischen Photonen (bunter Lichtstrahl). Illustration: Fabian Langer (Die Abbildung darf nur im Zusammenhang mit der Berichterstattung über die hier angezeigte wissenschaftliche Veröffentlichung verwendet werden)

Schon kleine Kinder werfen unterschiedliche Dinge auf- und gegeneinander, um so etwas über die Eigenschaften der Gegenstände zu lernen. Teilchenbeschleuniger nutzen diese Herangehensweise zur kontrollierten Untersuchung der kleinsten Bausteine der uns umgebenden Materie. So beschoss der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford bereits Anfang des 20. Jahrhunderts Goldfolien mit Alpha-Teilchen. Aufgrund der Streueigenschaften der Alpha-Strahlung schloss er auf die Struktur des Streuzentrums und fand heraus, dass sich die Masse eines Atoms auf einen kleinen Raum – den Atomkern – konzentriert. Etwa 100 Jahre später kollidieren im Rahmen des bislang größten Experiments der modernen Wissenschaft am Kernforschungszentrum CERN hochenergetische Protonen miteinander, was schließlich zur Entdeckung des sagenumwobenen Higgs-Teilchens geführt hat.

Aufgrund der enormen Teilchenanzahl waren bislang allerdings Verfahren und Methoden zur Nutzung solcher Kollisionsexperimente für die Festkörperphysik unbekannt, obwohl unsere modernen Technologien wesentlich davon abhängen, die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Festkörpern zu verstehen. Gleichwohl kann in einem Festkörper die komplexe Wechselwirkung von Billionen über Billionen von Teilchen auf einzelne Objekte reduziert werden, sogenannte Quasiteilchen.

Einem Team von Physikern um Professor Dr. Rupert Huber (Universität Regensburg) und die Professoren Dr. Mackillo Kira sowie Dr. Stephan W. Koch (Philipps-Universität Marburg) ist es nun in Kooperation mit Kollegen aus dem kalifornischen Santa Barbara gelungen, solche Quasiteilchen gezielt miteinander zu kollidieren. Dazu mussten die Forscher extrem schnell vorgehen, denn die Quasiteilchen existieren nur für einen winzigen Augenblick, etwa 10 Femtosekunden lang (1 Femtosekunde = 10‑15 s), ehe sie durch Stöße mit umliegenden Elektronen unkontrolliert gestört werden und zerfallen.

Dieses Problem umgingen die Forscher mit Hilfe der Terahertz-Hochfeldquelle an der Universität Regensburg. Zunächst erzeugten die Forscher Paare von Quasiteilchen, sogenannte Elektron-Lochpaare, im Halbleiter Wolframdiselenid mit Hilfe eines superkurzen Lichtblitzes. Die gegensätzlich geladenen Quasiteilchen ziehen einander elektrostatisch an und bilden einen atomähnlichen Komplex, den man als Exziton bezeichnet. Das starke, schwingende Lichtfeld aus der Terahertz-Hochfeldquelle trennt die beiden Quasiteilchen zunächst voneinander, um sie anschließend mit hoher Geschwindigkeit wieder miteinander zu kollidieren. Der gesamte Beschleunigungsprozess läuft dabei schneller als eine einzige Lichtschwingung ab. Die Kollisionen führen zu ultrakurzen Lichtblitzen, die wiederum – ähnlich wie in Großforschungsanlagen wie dem CERN – Rückschlüsse auf die Struktur der Quasiteilchen zulassen. Diese Beobachtungen wurden durch quantenmechanische Simulationen der Arbeitsgruppe an der Philipps-Universität Marburg unterstützt.

Die Experimente und Berechnungen der Forscher aus Regensburg, Marburg und Santa Barbara belegen, dass grundlegende Beschleunigerkonzepte aus der Teilchenphysik ebenso für Verfahren in der Festkörperphysik genutzt werden können. Die Experimente bieten neuartige Einblicke in die Eigenschaften von Quasiteilchen und könnten wesentlich zur Lösung einiger der größten Rätsel der modernen Physik wie etwa den Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung beitragen.
(Pressetext: Alexander Schlaak, Universität Regensburg)

Original-Publikation: F. Langer & al.: Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale, Nature 2016, DOI: 10.1038/nature17958

 



Elektronen im Quanteninformationskarussell

Physiker aus Marburg und Regensburg finden neuen Ansatz für die Quanteninformationsverarbeitung

In einem Magnetfeld verhalten sich Elektronen eines Halbleiters anders als erwartet, wenn man ihre Bewegungen mit einem starken Lichtfeld im Terahertz-Spektralbereich antreibt. Das haben Physiker der Universitäten Regensburg und Marburg beobachtet; sie widerlegten damit theoretische Überlegungen, die seit 50 Jahren Bestand hatten. Die Forscher veröffentlichten ihre Entdeckung jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“. Die Ergebnisse legen die Grundlage für magnetische Quantenbits und liefern somit einen neuen Ansatz für Fortschritte in der Quanteninformationsverarbeitung sowie für die künftige Entwicklung eines Quantencomputers.

Quantenkarussell
An eine nanometerdünne Halbleiterprobe wird ein starkes Magnetfeld
 angelegt, sodass Elektronen eine kreisförmige Bewegung vollführen,
die hier anhand der runden Form der quantenmechanischen Wellen-
funktion verdeutlicht wird. Durch einen kurzen Lichtblitz schaukelt
 sich die Welle zu einer Taumelbewegung auf, sodass die hochange-
regten Elektronen ungeahnt stark mit dem Kristallgitter wechselwirken.
 (Illustration: Dr. Christoph Lange, Uni Regensburg)

Die Informationsverarbeitung in Computern beruht auf der gezielten Steuerung elektrischer Ströme auf mittlerweile extrem kurzen Zeitskalen von Bruchteilen von Nanosekunden. Die Schaltvorgänge innerhalb eines Chips werden dabei jedoch nur durch den Transport von Elektronen erreicht, ohne besonderen Nutzen aus deren quantenmechanischer Wellennatur zu ziehen. Könnte diese Eigenschaft gezielt ausgenutzt werden, würde ein großer Traum vieler Naturwissenschaftlerinnen und Naturwissenschaftler in greifbare Nähe rücken: der Quantencomputer. Mit ihm könnten kryptographische und naturwissenschaftliche Fragestellungen, die aus heutiger Sicht noch unlösbar scheinen, in kürzester Zeit beantwortet werden.

Den Herausforderungen der Quanteninformationsverarbeitung haben sich weltweit schon viele Forscherteams gestellt, sodass inzwischen zahlreiche Konzepte zur Implementierung der sogenannten Qubits existieren, die das quantenmechanische Äquivalent zum konventionellen Bit darstellen. Qubits lassen sich durch Quantensysteme umsetzen, die typischerweise extrem fragiler Natur sind. Dementsprechend erfordern nahezu alle Ansätze eine aufwändige Strukturierung von komplexen Nanomaterialien sowie kryogene Kühlung auf wenige Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt, damit thermische Einflüsse die empfindliche Wellenfunktion des Qubits nicht zerstören.

Ein Team um Professor Dr. Stephan Koch und Professor Dr. Mackillo Kira von der Arbeitsgruppe Theoretische Halbleiterphysik der Philipps-Universität sowie Dr. Christoph Lange und Professor Dr. Rupert Huber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg haben nun in einem nanometerdünnen Halbleitersystem eine neue Klasse von Wechselwirkungen nachgewiesen, die sich für Qubits in einfachen Strukturen nutzen ließen – und dies potenziell bei Zimmertemperatur. Dazu legten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein starkes Magnetfeld an die Halbleiterprobe an, in der dann alle Elektronen ähnlich wie in einem Karussell eine Kreisbewegung um die Magnetfeldachse vollführen.

Gemäß dem in den 1960er Jahren entwickelten und nach seinem Erfinder benannten Kohn-Theorem sollte die Wellenfunktion dieser sogenannten Landau-Elektronen zwar sehr robust gegen äußere Störungen sein und sich daher für Qubits wenig eignen. Mittels starker elektromagnetischer Impulse im Terahertz-Spektralbereich gelang es den Forschern jedoch, dieses Quantenkarussell auf kürzester Zeitskala so stark aufzuschaukeln, dass die Elektronen mit dem Kristallgitter wechselwirken und dabei eine starke Taumelbewegung vollführen.

Die resultierende nichtlineare Abweichung von der idealen Kreisbahn erlaubt es, Quanteninformationen innerhalb von wenigen Femtosekunden (1 Femtosekunde = 10‑15s) gezielt zu lesen und zu schreiben, also weit mehr als 1.000 Mal schneller als in einem konventionellen Computer. Liegt kein Schreib- oder Leseimpuls an, sorgt das Kohn-Theorem hingegen weiterhin dafür, dass die Quanteninformation sehr lange erhalten bleibt. Zu diesem experimentellen Ergebnis steuerten die theoretischen Physiker aus Marburg eine vollständige Quantentheorie bei, die auf aufwendigen numerischen Simulationen basiert und nicht nur die bereits gemessenen Daten vollständig erklärt, sondern auch Voraussagen für zukünftige Materialsysteme erlaubt.

Die Forscher prüfen derzeit, wie sich die ideale Kombination von effizientem Quantenschalter und robustem Quantenspeicher auf andere Materialsysteme wie Graphen übertragen lässt, wodurch sich das Konzept auch bei Raumtemperatur ausnutzen ließe. Zudem laufen bereits analoge Experimente zur Quantenoptik, in denen künstlich geschaffene Quasiteilchen – halb Licht, halb Materie – mit noch stärkeren Nichtlinearitäten aufwarten. Aus Sicht der Wissenschaftler ist mit den vorliegenden Ergebnissen der Grundstein für magnetische Quantenbits gelegt, womit sich ein breites und neuartiges Forschungsfeld für die Quanteninformationsverarbeitung öffnet.

Die Professoren Dr. Stephan Koch und Dr. Mackillo Kira lehren Theoretische Halbleiterphysik an der Philipps-Universität. Die aktuelle Veröffentlichung wurde unter anderem von der Alexander-von-Humboldt-Stidtung sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) durch deren Sonderforschungsbereich (SFB) 1083 an der Philipps-Universität finanziell gefördert. Der SFB vereint mehr als 60 Forscherinnen und Forscher aus Chemie und Physik, die Grenzflächen an einer Vielzahl anorganischer und organischer Festkörper untersuchen, um anhand ihrer Modellsysteme zu einem detaillierten Verständnis der chemischen Bindung, der elektronischen Kopplung und der Energieübertragung zu gelangen. (Pressetext: Alexander Schlaak, Pressestelle der Universität Regensburg)

Originalpublikation: T. Maag & al.: Coherent cyclotron motion beyond Kohn’s theorem, Nature Physics 2015,
doi: 10.1038/nphys3559

 

 

 

Moderne Hochgeschwindigkeitselektronik basiert auf winzigen Halbleiter-Strukturen, in denen Elektronen mit Hilfe von elek­trischen Feldern auf immer höhere Geschwin­dig­kei­ten beschleunigt werden. Bald schon dürften Feldstärken erreicht werden, die zu einer neu­en Klasse von Quantenphänomenen füh­ren. Physiker der Uni­ver­si­täten Mar­burg, Regensburg und Pader­born haben nun nachgewiesen, dass sich Elektronen unter diesen Be­dingungen nicht mehr monoton in eine Richtung bewegen, son­dern extrem schnelle Oszillationen ausführen, die Licht über einen superbreiten Spek­tral­bereich ausstrahlen. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Photo­nics“ nachzulesen.

Schematische Darstellung oszillierender Elektronen, die hoch-
frequente elektro-magnetische Strahlung aussenden.
(Bildnachweis: Universität Regensburg – Zur ausschließlichen
Verwendung im Rahmen der Berichterstattung zu dieser
Pressemitteilung)

Vor 85 Jahren beschrieb Felix Bloch, einer der Väter der modernen Festkörperphysik, die Bewegungen von Elektronen in einem Festkörper mit quantenmechanischen Wellen. Die Bewegungen sind dabei mit den Bewegungen von Wellen auf dem Wasser vergleichbar: Treffen sie auf ein Hindernis, etwa einen Stein, dann werden sie gestreut und auf der Wasseroberfläche bildet sich ein Muster kleiner Wellen aus. In einem Festkörper führt die enorme Anzahl periodisch angeordneter Atome zu einem hochkomplexen Streumuster der Elektronen und zu einer überraschenden Vorhersage: In einem starken elektrischen Feld sollten sich Elektronen demnach nicht – wie intuitiv erwartet – gleichförmig in eine Richtung bewegen, sondern beginnen zu oszillieren. Dieses merkwürdige Verhalten konnte aber bislang nur in künstlichen Modellsystemen beobachtet werden, weil die Wellennatur der Elektronen durch ihre Wechselwirkung untereinander sowie mit dem Atomgitter eines natürlichen Festkörpers schnell verwischt.

Die Arbeitsgruppen der Professoren Dr. Stephan W. Koch und Dr. Mackillo Kira von der Uni­versität Marburg entwickelten nun gemeinsam mit Professor Dr. Torsten Meier von der Universität Paderborn ein quan­ten­mechanisches Modell, das die komplexen Vorgänge im Halbleiter nachbildet und empirische Daten eindeutig als dynamische Bloch-Oszillationen identifiziert. Die Theoretischen Physiker stützen sich auf Ergebnisse, die ein Team um Professor Dr. Rupert Huber von der Universität Regensburg in einem bahnbrechenden Ex­pe­ri­ment generiert hat. Den Regensburger Forschern gelang es, elektrische Felder in der Größenordnung von 10 Milliarden Volt pro Meter mit einer Prä­zi­sion von billiardstel Sekunden an Halbleiter anzulegen und die Oszillation der Elektronen zu beobachten, be­vor sie verwischt. Mit einer extrem schnellen Zeit­lupen­kamera konnten die Wissenschaftler zudem zeigen, dass die oszillierenden Elektronen elektromagnetische Strahlung vom Mikrowellen- bis zum Ultraviolett-Bereich ausstrahlen.

Die Ergebnisse vermitteln einen spektakulären Einblick in eine Quantenwelt, die für künftige Ge­ne­ra­tio­­nen von Halbleiter­bau­ele­men­ten entscheidend werden dürfte. Was vielleicht noch wichtiger ist: Sie zeigen, dass sich elek­tri­sche Ströme auf Zeitskalen einzelner Lichtschwingungen kontrollieren lassen. Die Elek­tronik der Zukunft könn­te also auch bei optischen Taktraten funktionieren. Nicht zuletzt emittieren Bloch-Oszillationen ultrakurze Lichtblitze im infraroten Spektralbereich in einer Rekordbandbreite. Diese Licht­quelle dürfte demnach ein wertvolles Forschungsinstrument für die Ultrakurzzeitphysik werden. (Pressetext: Uni Regensburg)

Originalveröffentlichung: O. Schubert & al.: „Sub-cycle Control of Terahertz High-Harmonic Generation by Dynamical Bloch Oscillations“, Nature Photonics 2014, DOI: 10.1038/nphoton.2013.349
Die Publikation im Internet: http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2013.349

 

Zuletzt aktualisiert: 12.09.2016 · Schmid Renate, Physik, 21337

 
 
 
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