Lichtpulse steuern Elektronen in Graphen

  • 26. September 2017

Extrem kurze Laserpulse legen Basis für eine ultraschnelle Elektronik.

Die Strom­regelung ist eine der wich­tigsten Komponenten moderner Elektronik, denn über schnell ange­steuerte Elektronen­ströme werden Daten und Signale übertragen. Die Ansprüche an die Schnellig­keit der Daten­übertragung wachsen dabei beständig. In eine ganz neue Dimension der schnellen Strom­regelung sind nun Wissen­schaftler der Lehrstühle für Laser­physik und Ange­wandte Physik an der Friedrich-Alexander-Uni­versität Erlangen-Nürnberg FAU vorge­drungen. Ihnen ist es gelungen, in Graphen Elektronen­ströme innerhalb von einer Femto­sekunde in die gewünschte Richtung zu lenken.

Abb.: Schematische Darstellung des Experiments zur ultraschnellen Stromerzeugung: Wenn die Lichtwelle auf das Graphen trifft, wird instantan ein elektronischer Strom erzeugt. (Bild: T. Higuchi, FAU)

Abb.: Schematische Darstellung des Experiments zur ultraschnellen Stromerzeugung: Wenn die Lichtwelle auf das Graphen trifft, wird instantan ein elektronischer Strom erzeugt. (Bild: T. Higuchi, FAU)

Der Trick: die Elektronen werden von einer einzigen Schwingung eines Licht­pulses angetrieben. Damit können sie den Vorgang um mehr als das Tausend­fache im Vergleich zu den schnellsten heutigen Transis­toren beschleunigen. In Gasen, iso­lierenden Materia­lien sowie Halb­leitern war es Wissen­schaftlern bereits gelungen, mithilfe von Licht­wellen Elektronen zu kontrol­lieren und so prinzi­piell Ströme zu steuern. Mit Metallen funk­tionierte dies bisher jedoch nicht, da Metall normaler­weise Licht­strahlen reflektiert und so kein Licht eindringen kann, um die Elektronen im Inneren anzuregen. Die Physiker der Arbeits­gruppen von Peter Hommel­hoff und Heiko Weber haben daher auf Graphen zurück­gegriffen. Es ist so dünn, dass genug Licht einfällt, um die Elektronen in Bewegung zu versetzen.

Für ihr Experi­ment haben die Wissen­schaftler extrem kurze Laser­pulse in speziell defi­nierten Wellen­formen auf Graphen gefeuert. Treffen diese Licht­wellen auf die Elektronen im Graphen, werden diese durch das Material geschleudert, wie nach einem Peitschen­hieb. „Bei inten­siven optischen Feldern wird innerhalb eines Bruch­teils eines optischen Zyklus ein Strom erzeugt – das entspricht einer halben Femto­sekunde. Über­raschend war, dass trotz dieser enormen Kräfte die Quanten­mechanik wieder einmal die ent­scheidende Rolle spielt“, erklärt Takuya Higuchi vom Lehrstuhl für Laser­physik.

Der Strom im Graphen basiert auf kompli­zierten quanten­mechanischen Vorgängen, wie die Forscher herausfanden: Die Elektronen gelangen von ihrem Ausgangs­zustand zum ange­regten Zustand nicht nur über einen Weg, sondern über zwei. Ähnlich einer Welle können sich die Elektronen an der Gabelung spalten und beide Wege gleich­zeitig entlang­fließen. Das Ergebnis: Je nachdem mit welcher relativen Phase die Elektronen am Ziel aufeinander­treffen, ist der Strom sehr groß, oder über­haupt nicht vorhanden.

„Das ist vergleich­bar einer Wasser­welle: Stellen Sie sich vor, eine Welle trifft auf eine Hauswand. Dann wird sie gespalten und fließt rechts und links am Gebäude vorbei. Am Ende des Gebäudes treffen beide Teile wieder auf­einander. Sind die Teil­wellen dann beide auf ihrem Gipfel ergibt sich eine sehr große Welle, es fließt Strom. Ist eine Teil­welle auf dem Höchststand, die andere an ihrem Tiefpunkt, gleichen sich die beiden aus, es gibt keine Welle – und keinen Strom“, erklärt Peter Hommel­hoff. „Wir können damit über die Licht­wellen regulieren, wie sich die Elektronen bewegen und wie viel Strom erzeugt wird.“ Die Ergeb­nisse sind ein weiterer wichtiger Schritt, um die beiden Zweige der modernen Tech­nologie, Elektronik und Optik, auf eine Plattform zu bringen. Zukünftig lässt sich das Verfahren eventuell auf über­tragen, die mit optischen Frequenzen kontrol­liert werden kann.

FAU / JOL

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