Attosekundenlaser geben Einblick in Siliziumkristalle
Bei Halbleitermaterialien wie Silizium tummeln sich Elektronen normalerweise um die Atome, welche den Kristall bilden. Diese Teilchen können sich nicht bewegen und leisten somit einen Beitrag zur Stromstärke, welche bei der Zuführung von Stromspannung produziert wird. Wenn diese Materialien allerdings Licht ausgesetzt werden, absorbieren manche Materialien ausreichend Energie, um die Barriere zu überwinden, welche diese an die Atome bindet, und beginnen damit, durch das Material zu migrieren. Die mobilen Elektronen verleihen Halbleitermaterial seine Leitfähigkeit und ermöglichen Ingenieuren als Transistoren bekannte Siliziumschalter herzustellen – ein Grundbestandteil aller Digitalgeräte. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ATTOTRON (Attosecond electron processes in solids), verwendeten Wissenschaftler weiche Attosekundenröntgenlichtpulse, um den Elektronenübergang zu verfolgen. Konkret setzten die Wissenschaftler zunächst Siliziumkristalle ultrakurzem, sichtbarem Blitzlicht aus, welches von einer Laserquelle emittiert worden war. Anschließend wurden die Proben mit Röntgenlichtpulsen mit einer Dauer von nur wenigen Attosekunden beleuchtet. Diese Methodologie ermöglichte den Wissenschaftlern, Momentaufnahmen zur zeitlichen Entwicklung des durch Licht induzierten Erregungsprozesses zu machen. Bei der Datenanalyse stieß das ATTOTRON-Team auf deutliche wissenschaftliche Beweise dafür, dass der Elektronenübergang zu einer Atomneubindung führt. Es wurde gezeigt, dass zunächst ausschließlich die Elektronen reagierten, während das übrige Atomgitter unverändert blieb. Nachdem die Laserpulse die Proben verlassen hatten, ordnete sich das Gitter als Reaktion auf die kollektive Elektronenbewegung neu an, wobei ein Teil der absorbierten Energie in Wärme umgewandelt wurde, die von als Lichtteilchen bezeichneten Wellen getragen werden. Die zeitliche Auflösung des Attosekundenlasers ermöglichte den Wissenschaftlern, diese extrem kurzen elektronischen Prozesse zu erfassen, welche als zu schnell für experimentelle Ansätze schienen. Des Weiteren wurde eine unzweifelhafte Auslegung der experimentellen Daten durch Quantendynamiksimulationen vereinfacht. Die Modellierungsmaßnahme berücksichtigte sowohl die Elektronenerregung als auch die Interaktion von Röntgenpulsen mit dem Siliziumkristall. Die Erkenntnisse des ATTOTRON-Projekts im Hinblick auf die Dynamik ultraschneller Elektronen sind in den renommierten Fachzeitschriften Nature und Science veröffentlicht worden.
Schlüsselbegriffe
Attosekundenlaser, Siliziumkristalle, Elektronendynamik, Röntgenlicht, Lichtteilchen
