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Elektronen auf dem Weg zwischen Atomen erwischt

25.10.2007 - (idw) Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Nur einige 10 Attosekunden (1as = 0.000 000 000 000 000 001 Sekunde) brauchen Elektronen, um in Festkörpern von einem Atom zum nächsten zu gelangen. Diese unvorstellbar kurze Zeitspanne stellt die ultimative Grenze für die Geschwindigkeit der Elektronik dar. Der künftige Vorstoß in diesen Grenzbereich setzt die technische Fähigkeit voraus, Elektronentransport in Festkörpern mit Attosekunden-Auflösung in Echtzeit zu beobachten und schließlich auch zu steuern. Das erste dieser Ziele hat jetzt ein internationales Forscherteam am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München (MPQ) erreicht. Adrian Cavalieri (USA) hat gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Österreich, Ungarn, Deutschland und Spanien Unterschiede in den Flugzeiten von Elektronen beim Durchqueren weniger Atomlagen in einem Kristall bestimmt. Dieses Experiment, das die erste Attosekunden-Messung in Festkörpern darstellt, ebnet den Weg zur Einflussnahme auf den Elektronentransport in Festkörpern auf atomarer Skala - ein Fortschritt, der auf der Titelseite der Nature-Ausgabe vom 25. 10. 2007 gefeiert wird. Moderne Elektronik beruht auf dem kontrollierten Elektronentransport durch Nanometer-Schaltkreise. Sie findet sich z.B. in Computern, Kommunikationsgeräten und Messinstrumenten. Die Motivation, immer schnellere Elektronik zu entwickeln, kommt aus vielen Richtungen. Schnellere Computer und empfindlichere Geräte würden es erlauben, Naturkatastrophen besser vorherzusagen. Leistungsstärkere Rechner führen zu immer ausgefeilteren Untersuchungsmethoden und erlauben dadurch immer tiefere Einblicke in die Funktionsweise der Natur. Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme werden es vielleicht eines Tages Spezialisten erlauben, ferngesteuert Operationen durchzuführen, und modernste elektronische Geräte in der Medizintechnik werden die Gesundheitsversorgung insgesamt effizienter machen, um nur einige Auswirkungen zu nennen.
In modernen elektronischen Schaltkreisen werden die Elektronen von einer Mikrowellenspannung durch Nanostrukturen gejagt, der elektrische Strom wird dadurch innerhalb von Nanosekunden an- und abschaltet. Die durch den Mikrochip vorgegebene Schaltzeit bestimmt beispielsweise die Zahl der Rechenoperationen, die ein Computer pro Sekunde ausführen kann.
Ultimativ ist die Schaltgeschwindigkeit begrenzt durch die Zeit, die die Elektronen brauchen, um durch die Strukturen zu laufen, in denen deren Strom ein und ausgeschaltet wird. Je kleiner die Struktur, desto höher die erreichbare Schaltgeschwindigkeit und die Dichte des Informationsflusses. Unter anderem aus diesem Grund möchte man Schaltkreise immer kleiner gestalten. Die Entfernung zwischen benachbarten Atomen in einem Kristallgitter oder in einem Molekül ist vermutlich die kürzeste Strecke, über die elektrischer Strom Information übertragen kann. Die Zeit die ein Elektron benötigt, um atomare Abstände zu überwinden, ist naturgemäß in Attosekunden getaktet. Dies impliziert, dass die Richtung des elektrischen Stromes in Schaltkreisen atomarer Dimensionen prinzipiell mehr als eine Billion Mal in der Sekunde gewechselt werden könnte, d. h. mit einer Frequenz von bis zu mehreren Petahertz, das ist hunderttausend mal öfter als es die heutige Elektronik erlaubt!
Der erste Schritt auf dem langen Weg zur ultimativen Petahertz-Elektronik, in der die Schaltfrequenz des elektrischen Stromes allein durch die Zeit begrenzt ist, die ein Elektron für den Weg zwischen benachbarten Atomen in einem Kristall oder Molekül braucht, ist die Entwicklung von Techniken für die Echtzeit-Beobachtung des elektrischen Ladungstransport in atomaren Strukturen. Dieser erste Schritt wurde kürzlich erfolgreich am MPQ demonstriert. Die Forscher konnten die Bewegung von Elektronen durch wenige Atomlagen an die Oberfläche eines Festkörperkristalls in Echtzeit verfolgen.
Gemeinsam mit Mitarbeitern der Universitäten Bielefeld und Hamburg, sowie der TU Wien schickten die MPQ-Forscher einen extrem ultravioletten Lichtpuls von 300-Attosekunden Dauer sowie einen Infrarot-Laserpuls aus wenigen, gut kontrollierten Schwingungen des elektrischen Feldes, auf die Oberfläche eines Wolfram-Kristalls. Die sich daraus ergebenden Prozesse sind in Abbildung 1 zu sehen. Der Attosekunden-Puls dringt in den Kristall ein. Dort werden einige der im Puls transportierten Lichtpartikel, sg. Photonen, absorbiert, wodurch sowohl lose gebundene Elektronen, die für die Leitung des elektrischen Stroms verantwortlich sind, als auch fest im Rumpf der Kristallatome gebundenen Elektronen freigesetzt werden. Beide Arten von Elektronen werden gleichzeitig angeregt, und eilen danach mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus einer Tiefe von einigen Atomlagen an die Oberfläche. Die Leitungselektronen bewegen sich schneller fort als die Rumpfelektronen (und werden in Abb. 1 als schnelle bzw. langsame Elektronen bezeichnet). Sobald die Elektronen an der Oberfläche angekommen sind, wird ihre ursprüngliche Geschwindigkeit durch das elektrische Feld des Laserpulses modifiziert, und diese Änderung kann mit einem Flugzeit-Detektor nachgewiesen werden. Da sich die Feldstärke des Laserpulses extrem schnell mit der Zeit ändert (eine halbe Schwingung des Laserwelle dauert 1250 Attosekunden), hängt die Höhe der Geschwindigkeitsänderung empfindlich vom Zeitpunkt ab, zu dem die Elektronen die Oberfläche erreichen.
Das ultraschnell oszillierende Laserfeld dient also - indem es die Elektronengeschwindigkeit kontrolliert verändert - als eine Attosekunden-Stoppuhr, mit der das MPQ-Forscherteam feststellen konnte, dass die Leitungselektronen etwa 110 Attosekunden früher als die Rumpfelektronen die "Ziellinie" (nämlich die Kristalloberfläche) erreichen. Daraus folgt, dass die freigesetzten Leitungselektronen sich innerhalb des Kristalls doppelt so schnell bewegen wie die aus den Atomrümpfen herausgerissenen Elektronen. Das MPQ Experiment demonstriert die technische Möglichkeit, elektrischen Ladunsgtransport durch Atomlagen eines Festkörpers in Echtzeit zu beobachten.
Der Einsatz der Attosekundenmesstechnik zur Echtzeitbeobachtung des Elektronentransports durch atomare Strukturen ebnet den Weg zur Entwicklung der ultraschnellen Schaltkreise der Zukunft, in denen die Richtung des elektrischen Stromes Tausend bis Hundert Tausend Mal schneller geändert werden kann, als in den schnellsten Mikrochips der Gegenwart.

Originalveröffentlichung:
A. L. Cavalieri et al.
"Attosecond spectroscopy in condensed matter"
Nature, 25. Oktober 2007


Kontakt:

Prof. Dr. Ferenc Krausz
Geschäftsführender Direktor
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Professor, Lehrstuhl f. Experimentalphysik
Ludwig-Maximilians-Universität München
Telefon: +49-89-32905612
Fax: +49-89-32905649
E-mail: ferenc.krausz@mpq.mpg.de
www.attoworld.de, www.munich-photonics.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse & Kommunikation
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 - 89 / 32905 213
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

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