Forschung

Schnellere Schwingungen im Halbleiter

15.07.2020 - Optisch erzeugter Strom verschiebt Atomschwingungen in Galliumarsenid zu höherer Frequenz.

Schwingungen von Atomen in einem Kristall des Halb­leiters Gallium­arsenid lassen sich durch einen optisch erzeugten Strom impulsiv zu höherer Frequenz verschieben. Die mit dem Strom verknüpfte Ladungs­verschiebung zwischen Gallium- und Arsen-Atomen wirkt über elektrische Wechsel­wirkungen zurück auf die Schwingungen. Das haben jetzt Forscher vom Max-Born-Institut für nicht­lineare Optik und Kurzzeit­spektro­skopie und dem Paul-Drude-Institut für Festkörper­elektronik in Berlin, sowie des Laboratoire de Physique der Université PSL Paris demonstriert. Wie sie berichten, erhöht der durch optische Anregung mit Femto­sekunden-Licht­impulsen erzeugter Strom die Frequenz der transversal optischen Phononen.

Das Kristallgitter von GaAs besteht aus einer regel­mäßigen Anordnung von Gallium- und Arsen­atomen, die durch kovalente chemische Bindungen zusammen­gehalten werden. Die Atome des Kristall­gitters können eine Vielzahl von Schwingungs­bewegungen ausführen, darunter die transversal optischen Phononen mit einer Frequenz von acht Terahertz. Die Elektronen­dichte der Arsen­atome ist etwas höher als diejenige der Gallium­atome, was zu einem lokalen elektrischen Dipol­moment führt und das Kristall­gitter elektrisch polar macht. Damit werden Schwingungs­bewegungen der Atome empfindlich für elektrische Kräfte.

In den Experimenten regte ein erster ultra­kurzer optischer Impuls die transversal optischen Schwingung der Atome an. Die Schwingung wurde durch einen zweiten Impuls gestört, der Elektronen vom Valenz- ins Leitungs­band des Halbleiters beförderte. Diese Anregung führt zu einer Ladungs­verschiebung zwischen den Atomen, dem Verschiebe­strom. Dabei wird die Elektronen­dichte der Gallium­atome leicht erhöht und eine kurz­zeitige elektrische Polari­sation erzeugt. Letztere ist mit einer elektrischen Kraft verbunden, die auf die atomaren Schwingungen zurück­wirkt und deren Frequenz verschiebt.

Die Messung extrem kleiner Verschiebungen der Phonon­frequenz stellt eine besondere experi­mentelle Heraus­forderung dar. Hier wurde die Phonon-Schwingung direkt über die Terahertz-Welle verfolgt, welche das schwingende Dipol­moment des Kristall­gitters abstrahlt. Diese Welle wurde zeit­auf­gelöst in Amplitude und Phase mit höchster Präzision vermessen. Sie weist eine Frequenz­erhöhung auf, nachdem der zweite Impuls den Verschiebe­strom erzeugt hat.

Die Frequenz des transversal optischen Phonons ist um ungefähr ein Prozent der anfäng­lichen Frequenz erhöht. Eine genaue Analyse der experi­mentellen Ergebnisse zeigt, dass es hierfür ausreicht, wenn ein Elektron pro 20.000 Elementar­zellen durch Photo­anregung verschoben wird. Die hier erstmals beobachtete Verschiebung der transversal optischen Phonon-Frequenz sollte in anderen Halb­leiter­materialien mit polarem Gitter und in Ferro­elektrika eben­falls auftreten.

FV Berlin / MBI / RK

Weitere Infos

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

*Interior Permanent-Magnet

Pfeiffer HiScroll Pumpen Video

Erfahren Sie mehr über die neue HiScroll Vakuumpumpe

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Die äußerst leisen, kompakten, ölfreien Pumpen

Die Modelle der neuen Scrollpumpenbaureihe HiScroll von Pfeiffer Vacuum sind ölfreie, hermetisch dichte Vakuumpumpen. Die kompakte Bauweise sowie leiser und vibrationsarmer Betrieb zeichnen die Neuentwicklungen besonders aus.

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum in 3D!

 

HiScroll FunktionsVideo

 

Erfahren Sie mehr über die neue HiScroll Vakuumpumpe

Bleistift, Papier und die eine Idee, die die Zukunft verändert

Quantentechnologie, künstliche Intelligenz, additive Fertigung: Michael überführt neueste Erkenntnisse in fortschrittliche Technologien bei ZEISS. Was ihn antreibt? „Einfluss darauf nehmen, wie unsere Gesellschaft lebt und arbeitet.“

Mehr Informationen

Bleistift, Papier und die eine Idee, die die Zukunft verändert

Quantentechnologie, künstliche Intelligenz, additive Fertigung: Michael überführt neueste Erkenntnisse in fortschrittliche Technologien bei ZEISS. Was ihn antreibt? „Einfluss darauf nehmen, wie unsere Gesellschaft lebt und arbeitet.“

Mehr Informationen