Feldaufgelöste Spektroskopie: Aufbruch in neue Frequenzbereiche

Wenn Materie durch ultrakurze Laserpulse angeregt wird, streuen angeregte Elektronen auf der Femto­sekunden-Zeitskala. Informa­tionen über die Streuung und andere schnelle Prozesse in dem Material lassen sich mittels feld­aufge­löster Spektro­skopie in der Wellen­charak­te­ristik des trans­mittierten oder reflek­tierten Lichtfelds finden. Ein Teil der Informa­tionen war jedoch bislang nicht zugänglich. Denn bisher haben feld­aufge­löste Experimente nur Frequenzen unterhalb von fünfzig Terahertz abgedeckt. Jetzt hat ein inter­natio­nales Team um Matthias Kling von der Uni München und dem MPI für Quanten­optik die Messmethode auf einen Frequenz­bereich von bis zu hundert Terahertz erweitert. Mit der Verdopplung der maximalen Frequenz gewinnen die Forscher neue Einsichten in licht­induzierte Vorgänge in Fest­körpern.

In der Messung konnten die Forscher zudem Wiederholungs­raten im Megahertz-Bereich erzielen. Sie regten Halbleiter mit nah­infra­roten Laser­pulsen an, die nur wenige Schwingungen lang dauerten. „Der Vorteil von Messungen in diesem erweiterten Frequenz­bereich ist, dass er frei von anderen Resonanzen ist und man dadurch die Antwort der freien Elektronen in den Materialien gut beobachten kann“, erläutert Marcel Neuhaus von der Uni München. Damit ermöglicht die Technik eine zeitliche Auflösung der Dynamik von Elektronen in Fest­körpern von unter zehn Femto­sekunden.

Durch den erweiterten Frequenzbereich konnten die Physiker die Dynamik der freien Ladungs­träger in den Halbleitern Germanium und Gallium­arsenid in einem von störenden Resonanzen freien Bereich testen und dabei unter anderem beobachten, wie Elektronen zwischen den verschiedenen Energieminima des Leitungs­bandes streuen. Dadurch konnten sie Rückschlusse ziehen, wie sich die Elektronen bei diesem Streuvorgang gegenseitig beeinflussen.

„Die demonstrierte feldaufgelöste transiente Reflekto­metrie bei Frequenzen von fünfzig bis hundert Terahertz ebnet den Weg um intra­molekulare Schwingungs­übergänge in einem breiten Spektrum von Systemen, einschließlich der molekularen und organischen Elektronik, zu untersuchen“, erläutert Kling. „In Zukunft kann der neue Frequenz­bereich auch Unter­suchungen mit hoher Sensitivität molekularer Schwingungen in organischen und neuartigen 2D-Materialien eröffnen.“

MPQ / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Neuhaus et al.: Transient field-resolved reflectometry at 50-100 THz, Optica 9, 42 (2022); DOI: 10.1364/OPTICA.440533
• Labor für Attosekundenphysik, Max-Planck-Institut für Quantenoptik & Ludwig-Maximilians-Universität München