Technik

Forschende filmen Quantensprünge in Graphen

Ein Forschungsteam zeigt, wie Licht Elektronen in Graphen zwischen Energiebändern bewegt. Eine neue Messmethode macht die schnellen Übergänge als Folge von Verteilungskarten sichtbar.

Von Wolfgang

29. Okt. 20263 Min. Lesezeit

Graphenschicht und Laborgerät mit Artikelüberschrift

Ein Lichtblitz trifft eine hauchdünne Schicht Graphen. In einem winzigen Bruchteil einer Sekunde bewegen sich ihre Elektronen und wechseln zwischen erlaubten Energiezuständen. Ein Forschungsteam aus Regensburg, Marburg und Jülich hat diese Übergänge nun mit einer neuen Messmethode sichtbar gemacht. Die Ergebnisse erschienen am 28. Oktober in Nature.

Die Forschenden sprechen von einer Zeitlupe für einen Quantenvorgang. Das Bild ist hilfreich, braucht aber eine Einschränkung: Ihre Kamera filmt nicht einzelne Elektronen wie ein Handy einen Ball. Sie erstellt Karten, die zeigen, wie sich viele Elektronen auf Energie und Bewegungszustände verteilen. Aus Karten zu verschiedenen Zeitpunkten entsteht eine Folge, die die schnelle Veränderung sichtbar macht.

Ein Sprung zwischen Energiebändern

Graphen besteht aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatome. In einem solchen Festkörper können Elektronen bestimmte Energiebereiche einnehmen. Diese Bereiche heißen Energiebänder; zwischen ihnen können Lücken liegen. Wie sich die Elektronen darin bewegen und von einem Band in ein anderes wechseln, beeinflusst die elektrischen Eigenschaften des Materials.

Im Experiment brachte ein intensiver Infrarotpuls die Elektronen in Bewegung. In der Nähe einer Energielücke wechselte ein Teil in ein anderes Band. Diesen quantenmechanischen Vorgang nennen Physiker Landau-Zener-Majorana-Übergang. Das Team beobachtete, wie der Übergang mit der Beschleunigung durch das Lichtfeld zusammenhing.

Die Universität Regensburg vergleicht den Effekt mit einem Aufzug, dessen Anzeige plötzlich mehrere Stockwerke überspringt. Das Bild veranschaulicht den Wechsel zwischen Zuständen; es beschreibt keine tatsächliche Fahrt durch ein Gebäude.

Wie die Messung zur Zeitlupe wird

Für die Aufnahme kombiniert das Team zwei Lichtpulse. Der erste regt die Graphenschicht an. Ein zweiter, extrem ultravioletter Puls trifft mit einer einstellbaren Verzögerung ein und löst Elektronen aus der Probe. Ein Photoemissions-Impulsmikroskop misst ihre Energie und ihren Impuls. Daraus entsteht jeweils eine Karte der Elektronenverteilung.

Schema zweier Lichtpulse auf Graphen und eines Detektors mit zeitlich gestaffelten Messkarten — Das vereinfachte Messprinzip: Ein Lichtpuls regt Graphen an; ein verzögerter Abtastpuls löst Elektronen für die Messung. Die Karten zeigen Verteilungen, keine einzelnen Teilchenbahnen. (Quelle: KI generiert)

Wiederholt das Team die Messung mit unterschiedlichen Verzögerungen, lassen sich die Karten zu einer zeitlichen Folge zusammensetzen. Die Studie nennt eine Zeitauflösung von weniger als zehn Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Die Verzögerung zwischen den Pulsen lässt sich noch feiner einstellen: mit einer Präzision von 230 Attosekunden. Diese Einstellpräzision ist nicht dasselbe wie die zeitliche Auflösung der Messung.

Das Mikroskop liefert dabei keine vergrößerte Ansicht der Kohlenstoffschicht. Es macht sichtbar, welche Energien und Bewegungszustände die herausgelösten Elektronen hatten. Gerade diese Übersicht hilft, die Veränderungen im Material nachzuvollziehen.

Was die Karten über die Bewegung verraten

Die Verteilung änderte sich während des Lichtpulses. Aus ihrer Form konnte das Team den Übergang zwischen den Bändern erkennen. Später veränderte Streuung die zunächst gerichtete Verteilung wieder. Die Messung zeigt damit nicht nur den schnellen Wechsel, sondern auch, wie lange eine geordnete Bewegung unter den Versuchsbedingungen erhalten bleibt.

Für die Probe verwendeten die Forschenden eine besonders präzise hergestellte Graphenschicht. Die Kombination aus Material und Messverfahren sollte die untersuchten Quanteneffekte erkennbar machen. Die Messkarten sind deshalb Ergebnisse eines kontrollierten Laborexperiments.

Das Interesse reicht über Graphen hinaus: Die Autoren sehen in der Methode ein Werkzeug, um schnelle elektronische Vorgänge in weiteren Materialien zu untersuchen. Langfristig könnten solche Kenntnisse für Elektronik interessant sein, die Elektronen mit Lichtfeldern steuert. Die aktuelle Arbeit liefert dafür eine Beobachtungsmethode und einen experimentellen Befund, noch keinen fertigen Baustein.