Ultraschnelle Laserphysiker des attoworld-Teams der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben neue Erkenntnisse über die Dynamik von Elektronen in Festkörpern unmittelbar nach der Photoinjektion gewonnen.
Ein Laserpuls trifft auf ein Elektron in einem Festkörper. Wenn es genügend Energie von der Lichtwelle erhält, kann es sich frei durch einen Festkörper bewegen. Dieses Phänomen, das Wissenschaftler seit den Anfängen der Quantenmechanik erforschen, wird Photoinjektion genannt. Es gibt noch offene Fragen darüber, wie sich die relevanten Prozesse im Laufe der Zeit entwickeln. Laserphysiker des attoworld-Teams der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben nun direkt beobachtet, wie sich die optischen Eigenschaften von Silizium und Siliziumdioxid in den ersten Femtosekunden (Millionstel einer Milliardstel Sekunde) nach der Photoinjektion entwickeln ein starker Laserpuls.
Diese Physik der Photoinjektion ist relativ einfach, wenn es um den von Albert Einstein erklärten photoelektrischen Effekt geht. Dabei absorbiert ein Elektron ein einzelnes Photon, das genug Energie hat, um das Elektron von einem Potential zu befreien, das seine Bewegung einschränkt. Komplizierter wird es, wenn kein Photon in der Lichtwelle genug Energie dafür hat. In diesem Fall können gebundene Elektronen durch die gleichzeitige Absorption mehrerer Photonen oder durch Quantentunneln frei werden. Hierbei handelt es sich um nichtlineare Prozesse, die nur dann wirksam sind, wenn das elektrische Feld stark ist, was bedeutet, dass nur der zentrale Teil eines Laserpulses sie effizient antreiben kann.
Mit den Werkzeugen der Attosekundenwissenschaft ist es möglich, die meisten Ladungsträger innerhalb einer einzigen Halbperiode eines Lichtpulses zu erzeugen und so die Leitfähigkeit eines Festkörpers innerhalb weniger Femtosekunden um Größenordnungen zu erhöhen. Die Laserphysiker des attoworld-Teams der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben untersucht, wie schnell Festkörper nach ultraschneller Photoinjektion ihre optischen Eigenschaften ändern. Dazu schickten sie zwei Impulse mit wenigen Zyklen durch eine dünne Probe: einen intensiven Pumpimpuls, der Ladungsträger erzeugte, und einen schwachen Testimpuls, der mit ihnen interagierte.
Da die Photoinjektion auf ein Zeitintervall beschränkt war, das kürzer als ein halber Zyklus des Testfelds war, konnte beobachtet werden, wie Ladungsträger in den ersten Femtosekunden nach ihrem Auftreten mit dem Testfeld wechselwirkten. Diese Informationen wurden in den Verzerrungen kodiert, die die Photoinjektion dem zeitabhängigen elektrischen Feld des Testimpulses aufprägte. Die Wissenschaftler haben diese Verzerrungen mithilfe einer neuartigen Technik zur optischen Feldabtastung gemessen und ihre Messungen für viele Verzögerungen zwischen den beiden Impulsen wiederholt.
Die innovative Technik für optisch feldaufgelöste Pump-Probe-Messungen ermöglicht dem attoworld-Team nun direkten Zugang zu lichtgetriebenen elektrischen Strömen während und nach der Photoinjektion. „Das wichtigste Ergebnis ist, dass wir jetzt wissen, wie man solche Experimente durchführt und analysiert, und dass wir tatsächlich die lichtgetriebene Elektronenbewegung sehen können, wie es zuvor niemand konnte“, sagt Vladislav Yakovlev, Letztautor der Studie. „Wir waren überrascht, keine klaren Anzeichen einer Quasiteilchenbildung zu sehen“, erklärt Jakowlew weiter. „Das bedeutet, dass bei diesen speziellen Messungen die Messungen der Vielteilchenphysik keinen großen Einfluss darauf hatten, wie sich die Leitfähigkeit des Mediums nach der Photoinjektion aufbaute, aber wir könnten in Zukunft eine etwas ausgefallenere Physik sehen.“
Die gesamte moderne Elektronik basiert auf der Steuerung des Ladungsträgerflusses durch schnelles Erhöhen und Verringern ihrer Fähigkeit, sich durch Schaltkreise zu bewegen. Bei der Forschung des attoworld-Teams geht es darum, die ultimativen Geschwindigkeitsgrenzen dieser Steuerung mithilfe von Licht zu erreichen. Die neuen Erkenntnisse könnten schließlich dazu beitragen, künftige Signalverarbeitung im Petahertz-Bereich zu erreichen und so die sogenannte Lichtwellenelektronik zu ermöglichen. Das würde die heutige Elektronik um etwa das Hunderttausendfache beschleunigen. „Ich würde behaupten, dass wir gerade erst an der Oberfläche dessen gekratzt haben, was feldaufgelöste Pump-Probe-Messungen leisten können. Ausgestattet mit unseren Erfahrungen und Erkenntnissen können jetzt andere Forscher unseren Ansatz nutzen, um ihre Fragen zu beantworten“, ist Jakowlew überzeugt.