Extreme Zustände in Halbleitern

Extreme Zustände in Halbleitern

Physik-News vom 25.07.2018

Physikern der Universitäten Konstanz, Paderborn und der ETH Zürich gelingt experimenteller Nachweis der Wannier-Stark-Lokalisierung

Wissenschaftlern der Universität Konstanz und der Universität Paderborn ist es gelungen, die sogenannte Wannier-Stark-Lokalisierung erstmalig zu realisieren und nachzuweisen. Die Physiker haben damit Hürden überwunden, die auf dem Gebiet der Optoelektronik und Photonik lange als unüberwindbar galten. Bei der Wannier-Stark-Lokalisierung wird das elektrische System eines Festkörpers in ein extremes Ungleichgewicht gebracht. „Es handelt sich um einen grundlegenden Effekt, der schon vor über achtzig Jahren vorhergesagt wurde, von dem aber nicht klar war, ob sich dieser Zustand in einem Volumenkristall realisieren lässt, also auf der Ebene der chemischen Bindungen zwischen den Atomen“, schildert Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer, Professor für Ultrakurzzeitphysik und Photonik an der Universität Konstanz.

Der Zustand lässt sich nur für minimale Zeiträume aufrechterhalten, die kürzer als eine infrarote Lichtschwingung sind. Die Wannier-Stark-Lokalisierung konnte mit den Konstanzer Ultrakurzzeit-Lasersystemen erstmals festgehalten werden. Der Nachweis erfolgte in einem hochreinen Galliumarsenid-Kristall, der an der ETH Zürich durch sogenanntes epitaktisches Wachstum gezüchtet wurde. Die Forschungsergebnisse wurden am 23. Juli 2018 im renommierten Forschungsjournal „Nature Communications“ veröffentlicht.


Detail des Versuchsaufbaus im Konstanzer Hochfeld-Terahertzlabor. Unter den extremen Bedingungen des Experiments ist aus dem angeregten Galliumarsenid-Halbleiterkristall ein helles rotes Leuchten zu sehen. Dieses hat seinen Ursprung in der äußerst hohen optischen Nichtlinearität des Systems, die unter den Bedingungen der Wannier-Stark-Lokalisierung vorliegt.

Publikation:


C. Schmidt, J. Bühler, A.-C. Heinrich, J. Allerbeck, R. Podzimski, D. Berghoff, T. Meier, W. G. Schmidt, C. Reichl, W. Wegscheider, D. Brida, A. Leitenstorfer
Signatures of transient Wannier-Stark localization in bulk gallium arsenide
Nature Communications 9, 2890 (2018)

DOI: 10.1038/s41467-018-05229-x



Worum handelt es sich bei der Wannier-Stark-Lokalisierung?

Wir können uns die Atome eines Kristalls sinnbildlich wie ein dreidimensionales Gitter aus kleinen Kügelchen vorstellen, die sich gegenseitig abstoßen und nur von Gummibändern zusammengehalten werden. Solange die Abstoßung genauso stark ist wie das Gummiband, ist das System stabil: Die Kügelchen werden dann weder enger zusammengezogen, noch entfernen sie sich voneinander, sondern bleiben auf etwa gleichem Abstand. Die Wannier-Stark-Lokalisierung tritt auf, wenn wir die haltgebenden Gummibänder sehr schnell entfernen. Es ist der elektronische Zustand in exakt jenem Augenblick, wenn die Gummibänder bereits weg sind, aber noch bevor die Kugeln auseinanderfliegen: Die chemischen Bindungen, die den Kristall zusammenhalten, wurden aufgehoben.

Wird dieser Zustand zu lange aufrechterhalten, fliegen die Kugeln auseinander – und der Kristall löst sich auf. Um den Zustand der Wannier-Stark-Lokalisierung zu analysieren, mussten die Physiker folglich zunächst die haltgebenden Kräfte entfernen, dann das System im Bruchteil einer Lichtschwingung mittels Lichtimpulsen erfassen und anschließend schnell genug wieder stabilisieren, bevor die Atome auseinanderfliegen. Ermöglicht wurde dies durch das hochintensive elektrische Feld eines ultrakurzen Infrarot-Lichtimpulses, das nur sehr kurzfristig für wenige Femtosekunden im Kristall präsent ist. „Das ist eine unserer Spezialitäten: Phänomene zu untersuchen, die nur auf ganz kurzen Zeitskalen existieren“, erläutert Alfred Leitenstorfer.

„In perfekten Isolatoren und Halbleitern sind die elektronischen Zustände über den gesamten Kristall ausgedehnt. Das sollte sich laut einer schon etwa achtzig Jahre alten Vorhersage ändern, wenn man eine elektrische Spannung anlegt“, erklärt Prof. Dr. Torsten Meier von der Universität Paderborn. „Wenn das elektrische Feld im Inneren des Kristalls stark genug ist, können die elektronischen Zustände auf wenige Atome lokalisiert werden. Dieser Zustand wird Wannier-Stark-Leiter genannt“, so der Physiker, der an der Universität Paderborn auch Vizepräsident für Internationale Beziehungen ist, weiter.


Experimentskizze zur Wannier-Stark-Lokalisierung von Elektronen: Eine intensive infrarote Lichtwelle (rot) setzt für kurze Zeiten einen Halbleiterkristall aus Gallium-Arsenid (GaAs, gelb) unter ein hohes elektrisches Feld. Extrem kurze Abtastimpulse im sichtbaren Spektralbereich (blau) werden genutzt, um zeitaufgelöst die charakteristischen Änderungen der optischen Absorption des Halbleiterkristalls zu analysieren. So konnten die Physiker aus Konstanz und Paderborn zeigen, dass die den Kristall zusammenhaltenden chemischen Bindungen für kurze Zeiten tatsächlich stark geschwächt beziehungsweise aufgehoben werden.

Neue elektronische Eigenschaften

„Ein System, das so starke Abweichungen von seinem Gleichgewichtsverhalten zeigt, hat ganz neue Eigenschaften“, erklärt Alfred Leitenstorfer das besondere wissenschaftliche Interesse an diesem Zustand: Die kurzzeitige Wannier-Stark-Lokalisierung geht einher mit drastischen Veränderungen der elektronischen Struktur des Kristalls und führt beispielsweise zu einer extrem großen optischen Nichtlinearität. Darüber hinaus vermuten die Physiker eine besonders hohe chemische Reaktivität in diesem Zustand.

Die erstmalige experimentelle Realisierung der Wannier-Stark-Lokalisierung in einem Galliumarsenid-Kristall wurde durch hochintensive Terahertz-Strahlung mit Feldstärken von mehr als zehn Millionen Volt pro Zentimeter möglich. Nachgewiesen wurde dieser Zustand dann über die Veränderung der optischen Eigenschaften mittels weiterer ultrakurzer optischer Lichtimpulse. „Verwendet man geeignete intensive Lichtimpulse, die aus nur wenigen Schwingungen mit Periodendauern von einigen zehn Femtosekunden bestehen, kann die Wannier-Stark-Lokalisierung in einem kurzen Zeitfenster realisiert werden“, so Alfred Leitenstorfer. „Die Messergebnisse stimmen mit theoretischen Überlegungen und Simulationen überein, die in den Arbeitsgruppen meines Kollegen Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt und mir durchgeführt wurden“, ergänzt Torsten Meier. Der extreme Materiezustand der Wannier-Stark-Lokalisierung soll zukünftig insbesondere auf atomarer Skala detaillierter untersucht und dessen besondere Eigenschaften nutzbar gemacht werden.



Faktenübersicht:

• Wissenschaftlern der Universitäten Konstanz und Paderborn sowie der ETH Zürich gelang der erstmalige experimentelle Nachweis der sogenannten Wannier-Stark-Lokalisierung in einem hochreinen Galliumarsenid-Kristall, der an der ETH Zürich hergestellt wurde.

• Die Wannier-Stark-Lokalisierung tritt bei extrem hohen elektrischen Feldern in einem Festkörper auf und führt zu neuen Eigenschaften wie großer optischer Nichtlinearität. Darüber hinaus vermuten die Physiker eine besonders hohe chemische Reaktivität in diesem Zustand.

• Realisierung der Wannier-Stark-Lokalisierung durch hochintensive Terahertz-Strahlung mit Feldstärken von mehr als zehn Millionen Volt pro Zentimeter. Nachweis durch ultrakurze Lichtimpulse im Femtosekundenbereich.

• Forschung gefördert durch: ERC Advanced Grant 290876 „UltraPhase“ des Europäischen Forschungsrates (ERC, A. Leitenstorfer, Konstanz), Emmy-Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, D. Brida, Konstanz), Sonderforschungsbereich SFB-TRR142 (DFG, T. Meier und W. G. Schmidt, Paderborn), Carl-Zeiss-Stiftung (J. Bühler, Konstanz), Schweizer Nationalfonds (C. Reichl und W. Wegscheider, Zürich).

Diese Newsmeldung wurde mit Material von idw erstellt



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Festkörperphysik
Licht-induzierte Supraleitung unter hohem Druck
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) am Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg haben die licht-induzierte Supraleitung im Alkali-dotierten Fullerid K3C60 unter hohem, extern angelegtem Druck untersucht.
09.05.2018
Festkörperphysik - Thermodynamik
Vorsicht, Glatteis!
Gleiten auf Eis oder Schnee ist viel einfacher als das Gleiten auf den meisten anderen Oberflächen, dies ist allgemein bekannt.
03.05.2018
Astrophysik - Festkörperphysik
Zwergdünen schreiben Klimageschichte
Bläst der Wind Sandkörner durch die Wüste, entstehen zentimeterkleine Rippel und gewaltige Dünen.
18.04.2018
Elektrodynamik - Festkörperphysik - Quantenoptik
Laser erzeugt Magnet – und radiert ihn wieder aus
Mit einem Laserstrahl in einer Legierung magnetische Strukturen zu erzeugen und anschließend wieder zu löschen – das gelang Forschern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität von Virginia in Charlottesville, USA.
17.04.2018
Festkörperphysik - Plasmaphysik - Teilchenphysik
Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden
Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen.
16.04.2018
Festkörperphysik - Quantenoptik
Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall
Dank der geschickten Kombination neuartiger Technologien lassen sich vielversprechende Materialien für die Elektronik von morgen untersuchen.
16.04.2018
Festkörperphysik
Echtzeit Schichtdickenmessung mit Terahertz
Terahertz ist eine Schlüsseltechnik für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.
11.04.2018
Festkörperphysik
Waldbrände in Kanada sorgen für stärkste jemals gemessene Trübung der Stratosphäre über Europa
Waldbrände können die Sonneneinstrahlung in der oberen Atmosphäre noch stärker trüben als Vulkanausbrüche.
10.04.2018
Festkörperphysik
Neue Methode für Einblicke in Wechselwirkungen zwischen Molekülen / Atomar definierte Mess-Spitze
Nanowissenschaftler der WWU zeigen nun in einer im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“ veröffentlichten Studie, wie die Strukturen organischer Moleküle mit ungeahnter Genauigkeit sichtbar gemacht werden können. Die neue Methode basiert auf der Rasterkraftmikroskopie.
10.04.2018
Festkörperphysik - Quantenoptik
Fraunhofer INT und Fraunhofer Space auf der ILA 2018: Bestrahlungstests und Satellitentechnologie
Auf der ILA 2018 in Berlin präsentiert das Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT am Stand 202 in Halle 4 den Nachbau einer Co-60-Bestrahlungsanlage und bestrahlte Materialproben, die den Einfluss von Strahlung auf verschiedene Materialien veranschaulichen.
09.04.2018
Festkörperphysik
Winzige Nanomaschine absolviert erfolgreich Probefahrt
Wissenschaftler der Universität Bonn und des Forschungszentrums caesar in Bonn haben mit Kollegen aus den USA aus Nanostrukturen eine winzige Maschine konstruiert, die sich auf einem Rad gezielt in eine bestimmte Richtung bewegen kann.
06.04.2018
Festkörperphysik - Quantenoptik
Winzige Strukturen – große Wirkung
Materialwissenschaftler der Universität Jena gestalten Oberfläche winziger, gekrümmter Kohlenstofffasern durch Laserstrukturierung
05.04.2018
Festkörperphysik
Neuer Weg zu atomar dünnen Materialien
Weg mit dem Silizium: Titancarbid-Nanoplättchen aus Titansiliziumcarbid durch selektives Ätzen
03.04.2018
Festkörperphysik
Deutsch-französisches Forscherteam entdeckt „Anti-aging“ in metallischen Gläsern
Metallische Gläser unterliegen derselben natürlichen Entwicklung wie wir Menschen: sie altern.
03.04.2018
Festkörperphysik - Quantenphysik
Von der Quantenebene zur Autobatterie
Neue Entwicklungen brauchen neue Materialien.
03.04.2018
Elektrodynamik - Festkörperphysik
Ein Drittel des Sonnenlichts in Strom wandeln – 33,3 Prozent Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle auf Silicium entwickelt, mit der genau ein Drittel der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann.
29.03.2018
Festkörperphysik
Die Grenzen der Haftung
Konstanzer Physiker können in Kollaboration mit italienischen Fachkollegen zeigen, dass die Haftreibung zwischen Oberflächen völlig verschwinden kann
26.02.2018
Festkörperphysik
Sonnenkonzentrat aus der Folie
Bisher sind es nur Zukunftsvisionen: Farbige Hausfassaden etwa, die auch bei miesem Wetter Sonnenstrom produzieren, oder Elektroautos, die ihre Batterien selbst im Schatten mit solaren Ampères laden können.
11.07.2017
Festkörperphysik
Wie ein Material zum Supraleiter wird: Phänomen der Elektronenpaare beobachtet
Hochtemperatur-Supraleiter sind Materialien, die bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren und damit Strom ohne Verlust transportieren können - und das im Gegensatz zu konventionellen Supraleitern bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen.
30.06.2017
Festkörperphysik
TU Ilmenau und Physikalisch-Technische Bundesanstalt entwickeln neue Waage für das neue Kilogramm
Wenn nächstes Jahr, 2018, das Kilogramm neu definiert wird, werden die Technische Universität Ilmenau und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt die Waage entwickelt haben, die nötig ist, um es zu messen: die Planck-Waage.
30.06.2017
Festkörperphysik
Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
Großes Potenzial für Anwendungen in der gezielten Pharmakotherapie und zur Herstellung maßgeschneiderter Nanoteilchen
23.11.2015
Festkörperphysik - Klassische Mechanik
Wie begann die Plattentektonik auf der Erde?
Mantelplume setzte das erste Abtauchen der Lithosphärenplatte in Gang.
30.01.2015
Festkörperphysik - Quantenphysik - Relativitätstheorie
Wie allgemein ist die Allgemeine Relativitätstheorie?
Egal ob Feder, Apfel oder Ziegelstein: Im Vakuum, wenn es keine Reibung mehr gibt und nur noch die Gravitation wirkt, fallen alle Körper gleich schnell.

News der letzten 7 Tage     3 Meldungen


19.11.2020
Sterne - Astrophysik - Physikgeschichte
Entfernungen von Sternen
1838 gewann Friedrich Wilhelm Bessel das Wettrennen um die Messung der ersten Entfernung zu einem anderen Stern mit Hilfe der trigonometrischen Parallaxe - und legte damit die erste Entfernungsskala des Universums fest.
19.11.2020
Plasmaphysik - Quantenoptik
Was Sterne zum Leuchten bringt
Internationales Forschungsteam der Universitäten in Berkeley, Madrid und Jena sowie des Institut Polytechnique de Paris beobachtet in Laborversuchen nichtlineare Ionisationsvorgänge in heißen dichten Plasmen.
19.11.2020
Elektrodynamik - Teilchenphysik
Einbahnstraße für Elektronen
Ein internationales Wissenschaftlerteam hat experimentell beobachtet, dass konischen Durchschneidungen - ein quantenmechanisches Phänomen - für einen ultraschnellen, gerichteten Energietransport zwischen benachbarten Molekülen eines Nanomaterials sorgen.