Auf ultraschneller Wanderschaft im Graphen

Trifft Licht auf Elektronen, bewegen diese sich rasend schnell, innerhalb weniger Milliardstel von milliardstel Sekunden (Attosekunden). Was mit Elektronen in Graphen-Atomen passiert, wenn starke Laserpulse auf sie treffen, hat ein Team um Professor Ferenc Krausz, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik der LMU und Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, in Zusammenarbeit mit dem Center for Nano-Optics der Georgia State University in Atlanta (USA) simuliert. Über ihre Ergebnisse berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Scientific Reports. Ziel solcher Simulationen ist das Verständnis der Licht-Teilchen-Wechselwirkung im Mikrokosmos. Zukünftig könnte so eine lichtwellengesteuerte Elektronik möglich werden, die rund 100.000 Mal schneller wäre als heutigen Technologien. Sie würde mit der Frequenz von Lichtwellen arbeiten, die rund eine Million Milliarden Mal pro Sekunde schwingen (Petahertz). Graphen mit seinen außergewöhnlichen Eigenschaften eignet sich dabei als Material für erste Versuche besonders gut.

Je genauer die Bewegung von Elektronen beobachtet wird, desto besser verstehen wir deren Wechselwirkung mit Licht. Bis heute hält die Natur viele Phänomene der Licht-Materie-Interaktion in Festkörpern unter Verschluss. Der Zugang zu diesem inneratomaren Kosmos ist schwierig, da die Vorgänge in wenigen Femtosekunden, ja sogar Attosekunden ablaufen: Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde, eine Attosekunde ist noch tausend Mal kürzer. Die dafür notwendigen experimentellen Messmethoden befinden sich in der Entwicklungsphase, allerdings lassen sich die physikalischen Prozesse mit Hilfe von Simulationen untersuchen. Die LMU-Physiker haben nun berechnet, was mit den Elektronen in einem Graphen-Kristall passiert, wenn sie von einem starken Lichtpuls getroffen werden. Das Laserfeld regt die Elektronen an und verschiebt sie, wodurch sich die Ladungsdichteverteilung ändert. Währenddessen wird ein extrem kurzer Elektronenpuls an der Probe gestreut. Aus der Ablenkung dieser Materiewellen, der sogenannten Diffraktometrie, können die Forscher schließen, welche Veränderungen in der Ladungsdichte durch den Laserblitz ausgelöst wurden.

Die Simulation eines solchen Ereignisses hat nun komplexe Zusammenhänge aufgezeigt zwischen der Anregung von Elektronen durch Licht und ihrer darauffolgenden ultraschnellen Wanderschaft in und zwischen den Kohlenstoffatomen in der Graphenschicht. Benachbarte Atome teilen sich die nur schwach gebundenen Valenzelektronen. Ihr Verhalten untersuchen die Wissenschaftler, indem sie die elektrische Ladung innerhalb von mikroskopisch kleinen Volumeneinheiten, die unterschiedliche chemische Bindungen repräsentieren, analysieren. Während der Bestrahlung mit dem Laserpuls findet eine signifikante Umverteilung der Ladung statt; gleichzeitig ist die Verschiebung aufgrund des elektromagnetischen Feldes des Laserpulses sehr klein, sie beträgt weniger als ein Pikometer (10-12 Meter). Die Rechnungen zeigten außerdem, dass der lichtinduzierte elektrische Strom nicht gleichmäßig durch die Schicht fließt, sondern nur entlang der chemischen Bindungen zwischen den Kohlenstoff-Atomen.         (LMU/MPQ)(Scientific Reports 2015)