Physiker filmen erstmals Elektronenbewegung in Graphen live

Physiker der Universität Regensburg und der Philipps-Universität Marburg haben erstmals abgebildet, wie sich Elektronen in Graphen während eines einzelnen Zyklus einer Lichtwelle bewegen. Die in Nature veröffentlichte Arbeit liefert einen direkten Blick auf einen Quantenprozess, der sich bislang kaum in Echtzeit beobachten ließ.

So lief das Experiment ab

Graphen besteht aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatome in Wabenstruktur und gilt wegen seiner elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften als Hoffnungsträger. Unter bestimmten Bedingungen verhalten sich seine Elektronen, als wären sie relativistische Teilchen. Damit eignet sich das Material gut, um Effekte zu untersuchen, die anderswo schwer zu erfassen sind.

Die Forschenden regten die Elektronen mit intensiven Infrarotpulsen bei einer Frequenz von 30 THz zu einer kontrollierten Bewegung an. Anschließend tasteten sie das Material mit ultrakurzen Pulsen extremer ultravioletter Strahlung ab und erhielten so eine Folge von Momentaufnahmen der sich verändernden elektronischen Struktur. Die Methode erfasst nicht nur die Verschiebung der Elektronen, sondern auch Änderungen ihrer Energie- und Impulsverteilung im starken elektromagnetischen Feld.

Landau-Zener-Majorana-Tunneln sichtbar gemacht

Das wichtigste Ergebnis ist die direkte Abbildung des Landau-Zener-Majorana-Tunnelns (LZM). Bei diesem Quantenphänomen wechseln Elektronen unter einem starken elektrischen Feld zwischen Energiebändern. Eine ausreichend starke Lichtwelle kann also den Energiezustand eines Elektrons beeinflussen oder es sogar in ein anderes Band befördern.

In den Daten verschiebt sich die Elektronenverteilung zunächst in eine bestimmte Richtung und verformt sich dann zu einer länglichen, elliptischen Gestalt. Mit der Zeit treten Streueffekte hinzu, die die Verteilung im Material verändern. Die Technik deckt die gesamte erste Brillouin-Zone ab, also den Bereich im Impulsraum, der das Verhalten von Elektronen im Kristall beschreibt. Der beobachtbare Bereich wuchs damit um mehr als das Hundertfache gegenüber früheren Möglichkeiten.

Warum das wichtig ist

Wer besser versteht, wie Licht Elektronen antreibt, kann neuartige elektronische und optoelektronische Bauelemente entwerfen. Besonders vielversprechend ist die Lichtwellenelektronik, bei der Signale und elektronische Prozesse durch geformte Lichtpulse gesteuert werden. Langfristig könnten so Schaltkreise entstehen, die weit schneller arbeiten als herkömmliche Technik.