Aktuelles: Neuen Quantenstrukturen auf der Spur

Der technologische Fortschritt unserer modernen Informationsgesellschaft basiert auf neuartigen Quantenmaterialien. Wissenschaftlern aus Regensburg, Marburg und Ann Arbor (USA) ist es nun gelungen mit ultrakurzen Lichtblitzen die genaue elektronische Struktur dieser Quantenmaterialien mit einzigartiger Pr?zision blitzschnell zu bestimmen. Die Ergebnisse der Arbeit sind jetzt in der Fachzeitschrift ?Science“ ver?ffentlicht worden.

Die Entwicklung neuer Technologien – von ultrakompakter Elektronik über hocheffiziente Solarzellen bis hin zu Quanten-Computern – ist eng mit der Entdeckung neuer Materialien verknüpft. Dabei sind in den letzten Jahren insbesondere zweidimensionale Kristalle ins Blickfeld der Forschung gerückt. Von diesen Schichtmaterialien lassen sich einzelne Atomlagen abziehen und – wie in einem mikroskopischen Lego-Baukasten – zu neuen künstlichen Strukturen stapeln, deren ungew?hnliche Quanteneigenschaften ma?geschneidert werden k?nnen. Um Materialienkombinationen mit Anwendungspotenzial herstellen zu k?nnen, werden allerdings tiefgreifende Kenntnisse ihrer elektronischen Eigenschaften ben?tigt.

Die entscheidende Rolle spielt dabei die sogenannte Bandstruktur der Elektronen, welche die Energie eines Elektrons mit seinem Impuls in Beziehung setzt. Die Bandstruktur kann wie die DNA der Elektronen im Festk?rper verstanden werden. So l?sst sich beispielsweise aus deren genauem Verlauf schlie?en, ob ein neues Designermaterial elektrisch leitend ist oder nicht und ob es für Solarzellen verwendet werden kann. Die derzeit g?ngigen Analysemethoden zur Bestimmung der elektronischen Struktur lassen sich meist nur schwer auf diese atomar dünnen Schichten anwenden. Zum einen sind deren laterale Dimensionen meist zu klein, zum anderen erfordert die genaue Untersuchung oft ?u?erst komplexe experimentelle Aufbauten, was die Untersuchung dieser neuartigen Systeme zus?tzlich erschwert.

Eine Kooperation der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Rupert Huber am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universit?t Regensburg mit den Gruppen von Prof. Dr. Stephan W. Koch von der Universit?t Marburg und Prof. Dr. Mackillo Kira von der University of Michigan, USA, entwickelte nun eine Methode, mit der die elektronische Struktur atomar dünner Materialien einfach und sprichw?rtlich blitzschnell bestimmt werden kann. Die Idee des Experiments, das in Regensburg durchgeführt wurde, ist Elektronen, die zun?chst unbeweglich im Festk?rper gebunden sind, mit Hilfe eines kurzen Lichtblitzes in das sogenannte Leitungsband anzuregen, wo sie sich frei bewegen k?nnen. Ein zweiter, intensiver Lichtblitz beschleunigt sie dann über weite Bereiche dieses Leitungsbandes. Dabei folgt die Bewegung der Elektronen, wie bei der Abfahrt eines Skifahrers auf einer Buckelpiste, der Form des Leitungsbandes. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网 führt dazu, dass ein schwacher Lichtblitz erzeugt wird, der den Forschern Aufschluss über die Bewegung der Elektronen im Kristall und damit der zugrundeliegenden Bandstruktur liefert.

Die Wissenschaftler machen sich dabei die Welleneigenschaften von Elektronen zu Nutze, wodurch stehende Elektronen-Wellen im Kristall ausgebildet werden k?nnen. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e stehenden Wellen besitzen wie ein Kamm, Zinken und Lücken. Die Lokalisierung der Elektronen in den Zinken des Kamms erm?glicht eine Bestimmung der elektronischen Struktur mit einzigartiger Pr?zision. Dem Team um Prof. Kira und Prof. Koch ist es nun erstmals gelungen, diese spektralen Fingerabdrücke direkt mit der elektronischen Struktur des Materials in Verbindung zu bringen. ?百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e neuartige Methode er?ffnet uns die M?glichkeit die Bandstruktur neuer Quantenmaterialien selbst in Umgebungsluft zu untersuchen und viel zielgerichteter denn je nach neuartigen Quanteneffekten in ma?geschneiderten Materialien zu suchen“ erkl?rt Christoph Schmid von der Universit?t Regensburg, einer der beiden Erstautoren der Publikation, begeistert.

Originalpublikation

M. Borsch, C. P. Schmid, L. Weigl, S. Schlauderer, N. Hofmann, C. Lange, J. T. Steiner, S. W. Koch, R. Huber, M. Kira, ?Super-resolution lightwave tomography of electronic bands in quantum materials“, Science (2020).
DOI: 10.1126/science.abe2112
URL: https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abe2112 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)