Laufzeiten von Elektronen im Kristallgitter bestimmt

Elektrischen Strom zu messen ist einfach. Die einzelnen Elektronen zu beobachten, aus denen dieser Strom besteht, ist allerdings äußerst schwierig. Mit einer Geschwindigkeit von mehreren Millionen Metern pro Sekunde rasen die Elektronen durch das Material – und die Distanzen, die sie zwischen zwei benachbarten Atomen zurücklegen, sind äußerst kurz. Dennoch ist es Wissenschaftlern nun gelungen, solche Laufzeiten zu messen. Wie das Team im Journal „Nature“ berichtet, unterscheidet sich die Bewegung der Elektronen in einem Metall gar nicht so stark von der ballistischen Bewegung im freien Raum.

Künstlerische Darstellung des Messprinzips
Prinzip der Messung

Für ihre Experimente dampften die Forscher um Stefan Neppl von der TU München zwischen einer und fünf Lagen aus Magnesiumatomen auf einen Wolframkristall auf und beschossen diese Struktur mit zwei Laserpulsen. Der erste Lichtpuls, mit Frequenzen im extremen Ultraviolett, dauerte rund 450 Attosekunden. Dieser Lichtblitz drang in das Material ein und löste sowohl aus den Magnesiumatomlagen als auch aus dem darunter liegenden Wolframkristall je ein Elektron heraus. Die freigesetzten Elektronen bewegten sich bis an die Oberfläche des Festkörpers und sobald sie das Material verließen, wurden die Teilchen vom elektrischen Feld eines zweiten, infraroten Lichtpulses erfasst.

Da die Elektronen aus den beiden verschiedenen Materialschichten aufgrund unterschiedlich langer Wege auch zu unterschiedlichen Zeiten an der Oberfläche ankamen, erfuhren sie unterschiedliche Stärken des oszillierenden elektrischen Feldes – und wurden unterschiedlich stark beschleunigt. Aus den resultierenden Energieunterschieden der Teilchen konnten die Forscher schließlich ermitteln, wie lange jedes Elektron benötigte, um eine Lage von Atomen zu durchqueren. Die Messungen ergaben, dass ein Elektron aus der Wolframschicht beim Durchqueren einer Lage von Magnesiumatomen um rund vierzig Attosekunden verzögert wird, also genau diese Zeit für den Gang durch diese Schicht braucht. „Je dicker die Magnesiumschicht ist, umso größer ist der mittlere zeitliche Vorsprung der Elektronen, die dort herausgelöst werden, gegenüber den Elektronen aus der Wolframschicht“, erläutert Koautor Christoph Lemell von der TU Wien. Der einfache Zusammenhang zwischen Schichtdicke und Ankunftszeit zeige, dass sich die Elektronen recht ungestört und geradlinig durch das Metall bewegen und es nicht zu komplexeren Stoßprozessen kommt.

Das Wissen, wie schnell sich ein Elektron von einem Ort zum anderen bewegt, sei für viele Anwendungen von großer Bedeutung: „Während sich beispielsweise in heutigen Transistoren eine Vielzahl von Elektronen über immer noch große Strecken bewegt, könnten in Zukunft einzelne Elektronen ein Signal über Nanostrukturen übermitteln“, sagt Teammitglied Reinhard Kienberger von der TU München. Dadurch ließen sich elektronische Bauteile, beispielsweise für Computer, weiter verkleinern.