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Eine der weltweit schnellsten Kameras filmt Elektronenbewegung

Forschungsteam untersucht ultraschnelle Umwandlung von Lichtenergie in einem Festkörper

24.12.2018

© Jürgen Haacks, CAU

Mit der ultraschnellen Anlage im Physikzentrum der CAU lässt sich das Verhalten von Elektronen live filmen.

© Phys. Rev. Lett

Filmaufnahmen zeigen erstmals, wie sich die Energieverteilung in einer Graphitprobe über den ultrakurzen Zeitraum von 50 Femtosekunden verändert.

Bei der Umwandlung von Licht in Strom, wie zum Beispiel in Solarzellen, geht ein Großteil der eingebrachten Lichtenergie verloren. Ursache ist das Verhalten der Elektronen im Inneren von Materialien. Trifft Licht auf ein Material, regt es Elektronen für den Bruchteil einer Sekunde energetisch an, bevor diese die Energie wieder an die Umgebung abgeben. Aufgrund ihrer extrem kurzen Dauer von wenigen Femtosekunden – eine Femtosekunde entspricht einer Billiardstel Sekunde – sind diese Prozesse bisher wenig erforscht. Einem Team des Instituts für Experimentelle und Angewandte Physik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) unter der Leitung von Professor Michael Bauer und Professor Kai Roßnagel ist es nun gelungen, den Energieaustausch der Elektronen mit ihrer Umgebung in Echtzeit zu untersuchen und dabei einzelne Phasen zu unterscheiden. In ihrem Experiment bestrahlten sie Graphit mit einem intensiven, ultrakurzen Lichtimpuls und filmten die Auswirkungen auf das Verhalten der Elektronen. Ein umfassendes Verständnis der dabei ablaufenden, grundlegenden Prozesse könnte zukünftig für Anwendungen in ultraschnellen, optoelektronischen Bauteilen wichtig sein.

Welche Eigenschaften ein Material hat, hängt vom Verhalten seiner Elektronen und Atome im Inneren ab. Ein grundlegendes Modell zur Beschreibung des Verhaltens der Elektronen ist das Konzept des sogenannten Fermigases, benannt nach dem Physiknobelpreisträger Enrico Fermi. Hierbei werden die Elektronen im Material als gasförmiges System betrachtet. Auf diese Weise gelingt es, ihre Wechselwirkungen untereinander zu beschreiben. Um das Verhalten von Elektronen auf Basis dieser Beschreibung in Echtzeit zu verfolgen, entwickelte das Kieler Forschungsteam ein Experiment für Untersuchungen mit extremer Zeitauflösung: Wird eine Materialprobe mit einem ultraschnellen Lichtimpuls bestrahlt, werden die Elektronen im Inneren kurzeitig angeregt. Ein zweiter, zeitverzögerter Lichtimpuls löst einen Teil dieser Elektronen aus dem Festkörper heraus. Ihre detaillierte Analyse lässt Rückschlüsse auf die elektronischen Eigenschaften des Materials nach der ersten Lichtanregung zu. Eine spezielle Kamera filmt, wie die eingebrachte Lichtenergie sich über das Elektronensystem verteilt.

In Kiel entwickelt: Eine der schnellsten Anlagen weltweit

Die Besonderheit der Kieler Anlage ist ihre extrem hohe Zeitauflösung von dreizehn Femtosekunden. Sie macht sie zu einer der schnellsten Elektronen-Kameras weltweit. „Dank der extrem kurzen Dauer der verwendeten Lichtimpulse sind wir in der Lage, ultraschnelle Prozesse live zu filmen. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass hier überraschend viel passiert“, erklärt Michael Bauer, Professor für Ultrakurzzeit-Dynamik an der CAU. Zusammen mit der Arbeitsgruppe von Kai Roßnagel, Professor für Festkörperforschung mit Synchrotronstrahlung, hat er die Anlage entwickelt.

In ihrem aktuellen Experiment beschoss das Forscherteam eine Graphitprobe mit einem kurzen, intensiven Lichtimpuls von nur sieben Femtosekunden Dauer. Graphit zeichnet sich durch eine einfache elektronische Struktur aus. Grundlegende Prozesse sind so besonders eindeutig zu beobachten. Die auftreffenden Lichtteilchen, auch Photonen genannt, störten im Experiment das thermische Gleichgewicht der Elektronen. Dieses Gleichgewicht beschreibt einen Zustand, bei dem unter den Elektronen eine eindeutig definierbare Temperatur herrscht. Anschließend filmte das Kieler Forschungsteam das Verhalten der Elektronen bis ein Gleichgewicht nach ca. 50 Femtosekunden wiederhergestellt ist.

Zahlreiche Wechselwirkungen in extrem kurzem Zeitraum zu sehen

Dabei beobachteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zahlreiche Wechselwirkungsprozesse der angeregten Elektronen mit den auftreffenden Photonen sowie Atomen und anderen Elektronen im Material. Anhand der Filmaufnahmen konnten sie sogar unterschiedliche Phasen innerhalb dieses ultrakurzen Zeitraums unterscheiden: Zunächst nahmen die bestrahlten Elektronen die Lichtenergie der Photonen im Graphit auf und wandelten sie damit in elektrische Energie um. Anschließend verteilte sich die Energie auf weitere Elektronen, bevor diese sie an die umliegenden Atome weitergaben. In diesem letzten Prozess wird die elektrische Energie schließlich unwiederbringlich in Wärme umgewandelt; das Graphit erhitzt sich.

Die Experimente des Kieler Forschungsteams bestätigen erstmals auch theoretische Vorhersagen. Damit ermöglichen sie einen neuen Blick auf eine auf diesen kurzen Zeitskalen bisher kaum untersuchte Forschungsthematik. „Durch unsere neuen technischen Möglichkeiten können diese fundamentalen, komplexen Prozesse zum ersten Mal direkt beobachtet werden“, betont Bauer. Angewendet werden könnte dieser Ansatz auch, um in Zukunft ultraschnelle Bewegungen von lichtangeregten Elektronen in Materialien mit vielversprechenden optischen Eigenschaften zu untersuchen und zu optimieren.

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