Ultraschnelle Terahertz-Spektroskopie bringt neue Erkenntnisse zu ultraschnellen Elektronenbewegungen in Graphen und magnetischen Materialien
Das aus Deutschland aus geleitete Projekt LIGHTER befasste sich mit dem Zusammenspiel von Licht und Materie auf ultraschnellen Zeitskalen und lieferte Erkenntnisse, die für Physiker und Ingenieure gleichermaßen relevant sind. Das durch ein Marie Curie-Integrationsstipendium für den Forscher Dmitry Turchinovich unterstützte Projekt nutzte innovative Terahertz-Spektroskopie, um einige grundlegende Aspekte der Elektronik zu erforschen. "Wir wollten verstehen, wie die Elektronen in technologisch relevanten Materialien – unter anderem ferromagnetische Metalle und Graphen – mit elektrischen Feldern auf der ultraschnellen Zeitskala von Pikosekunden oder schneller interagieren", sagt Professor Turchinovich. Zum Zeitpunkt des Projekts leitete der Forscher eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. "Das sind grundlegende Zeitskalen für die elementare Dynamik in Festkörpern." Die Bestätigung der Mott-Theorie Moderne magnetische Speicher, wie z.B. Festplatten von Hochleistungscomputern, speichern Informationen in Form von kleinen magnetischen Bits, die von nanoskaligen magnetischen Sensoren, den sogenannten Spin-Ventilen, abgefragt werden. Die Spin-Ventile funktionieren auf Grundlage der Idee der elektrischen Leitung in ferromagnetischen Metallen, die der britische Physiker Nevill Mott im Jahre 1936 aufgestellt hat. Der Theorie von Mott zufolge werden die elektrischen Ströme in diesen Metallen von zwei Arten von Elektronen mit entgegengesetzten Spins getragen, die unterschiedliche Widerstände erfahren, wenn sie sich innerhalb eines Metalls bewegen. "Wir haben einen Weg gefunden, diese Ströme durch Spin-up und Spin-down-Elektronen experimentell zu entwirren", erklärt Prof. Turchinovich. Mithilfe der ultraschnellen Terahertz-Spektroskopie gelang es den Forschern, die Anzahl der Spin-up- und Spin-down-Elektronen zu zählen und zu messen, wie schnell sie sich im Metall verlangsamen. Dies ist die erste direkte Beobachtung der fundamentalen Theorie von Mott und erlaubte es den Forschern außerdem, ein besseres Verständnis von moderner magnetischer Speichertechnologie zu gewinnen. "Wir haben festgestellt, dass die bisherigen Messungen auf langsameren Zeitskalen die Spin-Asymmetrie deutlich unterschätzen, die für den Betrieb des magnetischen Sensors verantwortlich ist", sagt Prof. Turchinovich. Diese in Nature Physics(öffnet in neuem Fenster) veröffentlichte Methode trägt zu einem völlig neuen Bereich – der Terahertz-Spintronik – bei und bietet den Wissenschaftlern einen Weg, viele verschiedene magnetische Verbindungen zu untersuchen, um die am besten für effiziente Geräte geeigneten zu finden. Die Bedeutung der Thermodynamik Eine zweite Forschungslinie unter vielen untersuchte, wie Graphen Elektrizität bei sehr hohen Frequenzen leitet, was für ultraschnelle Elektronik der nächsten Generation relevant ist. Das Team von LIGHTER verwendete ausschließlich optische Mittel, um transistorartige Zustände von starken elektrischen Hochfrequenz-Feldern innerhalb von Graphen zu erzeugen und die elektronische Reaktion direkt zu messen. "Wenn man einen elektrischen Strom durch Graphen schickt, 'verdampft' seine freie Elektronenpopulation, die gewöhnlich als eine Art Flüssigkeit bezeichnet wird, und wird eher zu einem Gas, das die leitfähigen Eigenschaften des Materials wesentlich verändert", sagt Prof Turchinovich. "Am Ende hängt die Art und Weise, wie Graphen Elektrizität leitet, einfach von der Temperatur dieses Elektronengases ab. Das macht die Beschreibung von Graphenelektronik sehr einfach – im Wesentlichen müssen Sie einige grundlegende Erhaltungsgesetze anwenden", fügt er hinzu. Diese Entdeckung wurde am 16. Juli 2015 in Nature Communications(öffnet in neuem Fenster) veröffentlicht. Prof. Turchinovich glaubt, dass diese neue Einsicht dazu beitragen wird, die Produktentwicklung voranzutreiben. "Ingenieure können unser einfaches thermodynamisches Modell verwenden, um die Leistung ihrer Graphen-Transistoren oder Photodetektoren vorherzusagen und sie zu optimieren", erklärt er abschließend. Die neuen Kenntnisse von LIGHTER führten im Rahmen des vierjährigen Projekts zu 27 veröffentlichten Arbeiten. Gegen Ende des Projekts trug sein Erfolg zur Ernennung von Prof. Turchinovich zum Physikprofessor an der Universität Duisburg-Essen bei.
Schlüsselbegriffe
LIGHTER, Leitfähigkeit, ferromagnetische Metalle, Graphen, Thermodynamik, ultraschnell, Terahertz-Spektroskopie, Spintronik
