Wellen im Elektronensee

  • 22. July 2014

Terahertz-Pulse ermöglichen direkte Beobachtung der Wellenbildung und der Verzerrung des Kristallgitters in einem Supraleiter.

Ordnung ist das halbe Leben. Dies gilt auch für Festkörper, in denen oft spontane Ordnungsphänomene auftreten. Eines davon ist die Supraleitung. Nahe am absoluten Nullpunkt der Temperatur verbinden sich Elektronen spontan zu Paaren, die elektrischen Strom verlustfrei transportieren. Neben der Supraleitfähigkeit tritt ein eng verwandtes Ordnungsphänomen auf: eine Ladungsdichtewelle. Während die Elektronenpaare in Supraleitern einen See von widerstandslos verschiebbaren Teilchen bilden, ähnelt die Ladungsdichtewelle einer großen Welle auf diesem Elektronensee. Nach bisherigem Wissensstand konkurrieren die beiden Phänomene miteinander.

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Abb.: Periodische Gitterstörung in einer dünnen Schicht des Supraleiters Titandiselenid. (Bild: Porer et al. / Macmillan Publishers Ltd.)

Rupert Huber von der Universität Regensburg und sein europäisches Forscherteam untersuchen, weshalb die Ladungsdichtewelle auftritt, um so ihrem Wechselspiel mit der Supraleitung auf die Spur zu kommen. In ihrem Experiment regten die Wissenschaftler mit Hilfe eines nur wenige Femtosekunden dauernden Lichtblitzes eine Ladungsdichtewelle in einem wenige Atomlagen dünnen Film des Supraleiters Titandiselenid an. Mit einem nachfolgenden Strahlungspuls im Terahertz-Bereich konnten die Forscher dann einen Zeitlupenfilm davon anfertigen, wie die Ladungsdichtewelle gestört wird und sich anschließend wieder neu aufbaut. Die Terahertz-Pulse erlauben es dabei, sowohl die Wellenordnung der Elektronen als auch die damit verbundene leichte Verzerrung des Kristallgitters zu beobachten.

Für die Forscher überraschend reagieren die beiden Komponenten auf die Bestrahlung mit einem Femtosekunden-Laserpuls höchst unterschiedlich. Während der Laserpuls die elektronische Ordnung vollkommen zerstören kann, zeigt sich die Verzerrung des Kristallgitters deutlich robuster gegen das optische Störfeuer. Die Femtosekunden-Zeitlupe zeigt erstmals eindeutig, dass die Wellen im Elektronensee von Titandiselenid durch ein kooperatives Zusammenspiel des Kristallgitters mit den Elektronen entstehen.

Die Forscher konnten damit ein etwa vierzig Jahre altes Geheimnis der Festkörperphysik lüften. Auch die neue Methode, in superschnellen Zeitlupenfilmen gleich mehrere Ordnungen und deren Dynamik zu beobachten, dürfte entscheidend für ein besseres Verständnis der Supraleitung und vieler anderer Ordnungsphänomene in Festkörpern werden.

UR / RK

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