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Gustav-Hertz-Preis für Thomas Dekorsy

26.02.2001 - (idw) Leibniz-Gemeinschaft

Wichtigster Nachwuchspreis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft geht an Physiker aus dem Forschungszentrum Rossendorf, Dressden. Preisverleihung im März

Dresden, 26. Februar 2001. Die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) verleiht ihre höchste Auszeichnung für Nachwuchswissenschaftler, den Gustav-Hertz-Preis, in diesem Jahr an Thomas Dekorsy vom Forschungszentrum Rossendorf (FZR). Der 35jährige Physiker erhält den mit 10 000 Mark dotierten Preis für seine Arbeit über die Wechselwirkung zwischen den Schwingungen der Elektronen und der Atome in künstlichen Halbleiter-Kristallen. Die Erkenntnisse Dekorsys bedeuten einen wichtigen Schritt in Richtung eines Halbleiter-Bauelementes, das Licht mit stufenlos regelbarer Wellenlänge im fernen Infrarotbereich aussendet. Seine Arbeit, für die er die Auszeichnung erhält, hat er am Institut für Halbleitertechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen (RWTH-Aachen) angefertigt. Inzwischen ist er Leiter der Abteilung Halbleiterspektroskopie am FZR und wird hier, mit Inbetriebnahme einer besonders starken Infrarotquelle, seine Forschungen weiterführen. Die Preisverleihung findet im März auf der Frühjahrstagung der DPG in Hamburg statt.
Schon seit Jahren versuchen Wissenschaftler, Bauelemente aus Halbleitermaterial herzustellen, die Licht im fernen Infrarotbereich aussenden; damit können sie zum Beispiel die Struktur von Biomolekülen oder Halbleitern untersuchen. Doch für diese Wellenlängen gibt es praktisch noch keine Lichtquellen - ein Umstand, der diesem Bereich die Bezeichnung "spektroskopische Lücke" eingehandelt hat.
Eine Möglichkeit, Lichtemission zu erreichen, ist die Wellenbewegung von Elektronen auszunutzen; denn wenn die geladenen Teilchen schwingen, also wiederholt abbremsen und beschleunigen, senden sie Licht aus. Thomas Dekorsy ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer solchen "Lichtquelle" auf Halbleiterbasis gelungen: Er hat in sogenannten Halbleiter-Übergittern, an denen eine Gleichspannung anliegt, mit Hilfe eines Lichtblitzes die völlig gleichförmige Schwingung von Elektronen angeregt und deren Oszillationen gemessen.
Die Frequenz, mit der die Elektronen schwingen, liegt zwischen einhundert Gigahertz ( 1 Gigahertz = 1 Milliarde Hertz) und zehn Terahertz (Billiarde Hertz); die Wellenlänge des Lichtes, das die Elektronen dabei aussenden, liegt im fernen Infrarotbereich. Doch die Schwingungsfrequenz der Elektronen ist nicht fest, sie lässt sich variieren. Verändern die Wissenschaftler die Spannung am Halbleiter, ändert sich auch die Schwingungsfrequenz der Elektronen und damit die Lichtwellenlänge - die "Lichtquelle" lässt sich stufenlos regeln.
Dekorsys Arbeit enthält einige Besonderheiten: Ihm und seinen Mitarbeitern sind die Messungen zum ersten Mal bei Raumtemperatur gelungen, bisher waren die Beobachtungen nur bei extrem tiefen Temperaturen (etwa Minus 260 Grad Celsius) möglich gewesen; damit haben sie eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine spätere Nutzung geschaffen. Allerdings mussten sie dafür eine besonders schnelle Messtechnik entwickeln, denn die Oszillationen dauern in diesem Temperaturbereich nur den Bruchteil von einigen Pikosekunden (billionstel Sekunden) an. Ein weiterer Lichtblick der Arbeit, den bisher niemand für möglich gehalten hatte: Ab einer bestimmten Elektronenenergie treten die Elektronen mit den Gitterbausteinen in Wechselwirkung, so dass Elektronen und Kristallgitter im Takt oszillieren. - Dieses Phänomen führt zu deutlich längeren Oszillationszeiten.

Viele Vorhersagen und Jahrzehnte später: der Nachweis

Der Ursprung von Dekorsys Arbeit liegt in den zwanziger Jahren. Eine wichtige Erkenntnis der damals noch sehr jungen Quantenmechanik ist der sogenannte Teilchen-Welle-Dualismus. Diesem Prinzip folgt zum Beispiel das Licht, das sowohl Wellencharakter haben kann - Licht hat eine bestimmte Wellenlänge - als auch Teilchennatur besitzt - hier kommen die so genannten Lichtquanten ins Spiel. Ganz ähnlich sieht es mit Elektronen aus; diese kleinen Teilchen, die um den Atomkern kreisen und im Festkörper für den Stromfluss sorgen, haben ebenfalls Wellencharakter, ein Prinzip auf dem zum Beispiel Elektronenmikroskopie beruht.
Mit diesem Hintergrund hat Felix Bloch die Wellengleichung der Elektronen gelöst, und Ende der zwanziger Jahre eine Voraussage gemacht: Er hat behauptet, dass Elektronen in einem Festkörper, bei angelegter Gleichspannung zu oszillieren beginnen. Allerdings hätte dieses Verhalten eine wichtige Konsequenz, denn die Elektronen können nicht gleichzeitig oszillieren, also hin und her schwingen, und sich fortbewegen: In einem Festkörper würde niemals Strom fließen.
Unsere Beobachtung und Erfahrung mit elektrischen Geräten zeigt allerdings etwas anderes: Unter dem Einfluss einer von Außen angelegten Spannung setzen sich die Elektronen in Richtung des Feldes in Bewegung und führen so zum Stromfluss.
Obwohl der Nachweis dieser sogenannten Bloch-Oszillationen Jahrzehnte lang auf sich warten ließ, waren die Vorhersagen in der Wissenschaft unbestritten, und die Forscher hatten auch eine Erklärung für die Abweichungen von den Voraussagen: Die Elektronen in einem Kristallgitter sind in ihrer Bewegungsfreiheit gestört; wenn sie zu schwingen beginnen, stoßen sie an die Gitteratome. Diese schwingen zwar auch, aber in einem anderen Rhythmus und die Elektronen kommen aus dem Takt. - Der Tanz kann also nicht wirklich losgehen.
Einen wichtigen Vorschlag in Richtung Elektronen-Oszillationen machte 1970 der Nobelpreis-Träger Leo Esaki: Seine Idee war, künstliche Kristalle herzustellen in denen die Elektronen durch größere "Kristalldimensionen" mehr Raum für ihre Schwingungen bekommen. In diesen sogenannten Übergittern liegen nur wenige Nanometer (milliardstel Meter) dünne Schichten aus zwei verschiedenen Halbleitern übereinander. Dadurch wird dem Kristall quasi ein zweites "Gitter" mit wesentlich größerer Struktur - die Schichtabstände liegen deutlich über den Atomabständen im Kristallgitter - aufgezwungen. Die beiden Halbleiter können zum Beispiel Galliumarsenid und Aluminium-Galliumarsenid sein; der Trick dabei ist, dass sich die Elektronen vorwiegend in den Galliumarsenid-Schichten aufhalten und zwischen diesen hin und her schwingen - sie oszillieren im Übergitter.
Doch es dauerte weitere zwanzig Jahre, bis die Zeit reif war für ein solches Übergitter; erst zu Beginn der neunziger Jahre konnten Wissenschaftler Esakis Idee verwirklichen und einen so exakten künstlichen Kristall herstellen, dass Oszillationen möglich waren. Die ersten Messungen dieser Art hat eine Forschergruppe unter der Leitung von Karl Leo (jetzt: Technischen Universität Dresden) an der RWTH-Aachen bei einer Temperatur von zehn Kelvin (etwa Minus 260 Grad Celsius), also knapp über dem absoluten Nullpunkt, durchgeführt. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes regten sie die Elektronen in einem Halbleiter-Übergitter mit Hilfe eines kurzen Lichtblitzes zu Oszillationen an. Dabei kann man tatsächlich von einem Übergang von der klassischen Mechanik - die Elektronen sind einzelne Teilchen - zur Quantenmechanik - ein "Bündel" Elektronen ist ein Wellenpaket - sprechen. Denn die Elektronen schwingen durch die Anregung völlig gleichförmig und schließen sich zu so genannten Wellenpaketen zusammen.

Und sie schwingen doch - auch bei Raumtemperatur

Ungefähr an diesem Punkt beginnt die Arbeit von Thomas Dekorsy und seinen Mitarbeitern: Ihnen ist es nicht nur gelungen, diese Messungen bei Raumtemperatur durchzuführen sondern ihre Überlegungen führten zu einem Übergitter, in dem man die Schwingungen deutlich länger beobachten kann. - Zwei Schritte, die entscheidend sind, auf dem Weg zu einer Anwendung.
Dabei mussten die Forscher einige Hürden nehmen, denn beim Übergang von den tiefen Temperaturen zu normaler Umgebungstemperatur ergibt sich eine entscheidende Schwierigkeit: Die Oszillationen, die selbst bei zehn Kelvin nur einige Pikosekunden (billiardstel Sekunden) andauern, klingen bei Raumtemperatur schon in einem Bruchteil dieser Zeit ab.

Bruchteile von billionstel Sekunden - eine messtechnische Herausforderung

"Es reicht ja nicht, dass man eine Methode hat, mit der man die Elektronen anregen kann, man braucht auch einen geeigneten Weg, um sich das Ergebnis anzuschauen", so Dekorsy. So mussten noch bessere Proben und eine deutlich schnellere Messmethode her, bevor der Nachweis gelingen konnte. Die Messtechnik hat die Gruppe um Dekorsy entwickelt, die Proben kamen vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg und vom Paul-Drude-Institut für Festkörperphysik in Berlin.
Mit dem Erfolg der Messungen haben die Wissenschaftler aber noch eine weitere Barriere genommen: Es galt bis dahin als unmöglich, eine bestimmte Elektronenenergie zu überschreiten. Denn, so die Vorhersagen von Forschern, wenn die Energie der Elektronen deutlich höher wird, als die der Gitterschwingungen, geben die Elektronen ihre überschüssige Energie an die Gitteratome ab. Damit regen sie das Gitter zusätzlich zu Schwingungen an, die dann wiederum die Elektronen in ihrer gleichförmigen Bewegung stören.
Doch bei einer speziellen Probenvorbereitung beobachteten die Wissenschaftler um Dekorsy das Gegenteil: Wohl gaben die Elektronen ihre Energie an das Übergitter ab, auch wurde dieses dabei zu Schwingungen angeregt, doch die beiden Schwingungen überlagerten sich und oszillierten im selben Rhythmus - so klangen sie nicht schneller ab, sondern dauerten länger an. "1994 funktionierte die Messtechnik, 1995 die Messungen bei Raumtemperatur; es hat wirklich noch einmal so lange gedauert, bis eine Probe die notwendige Qualität hatte, dass wir die Kopplung von Elektronen- und Gitterschwingungen beobachten konnten, und sie nicht durch andere Streuphänomene überdeckt wurde." sagt Dekorsy.
Diese Entdeckungen bringen die Wissenschaft einen großen Schritt weiter in Richtung eines Halbleiterbauelementes, in dem die Frequenz der Elektronenschwingungen über einen weiten Bereich in Abhängigkeit von der angelegten Spannung geregelt werden können. Und mit der Frequenz der Elektronen ändert sich auch die Wellenlänge des emittierten Lichtes. - Leuchtet also in der Zukunft für den fernen Infrarotbereich eine stufenlos regelbare Lichtquelle aus Halbleitermaterial?

Das Forschungszentrum Rossendorf (FZR) ist Mitglied der Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz e.V. (WGL). Der WGL gehören 77 außeruniversitäre Forschungseinrichtungen an, von denen neben dem FZR noch drei weitere in Dresden ansässig sind. Die Institute der Leibniz-Gemeinschaft arbeiten nachfrageorientiert und interdisziplinär; sie sind von überregionaler Bedeutung, betreiben Vorhaben im gesamtstaatlichen Interesse und werden deshalb von Bund und Ländern gemeinsam gefördert.

Kontakt:

Dr. Silke Ottow
Telefon (0351) 260-2450
Telefax (0351) 260-2700
s.ottow@fz-rossendorf.de


Weitere Informationen unter
http://www.fz-rossendorf.de
Ein Foto des Preisträgers finden Sie unter http://www.fz-rossendorf.de/presse
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