Kohlenstoff-Elektronen durch Laserpulse heiß gemacht

Für extrem kurze Zeiten werden Elektronen in Grafit über 2200 Grad heiß – Hinweise auf Halbleitereigenschaften

Berlin - Grafit ist ein hervorragender Leiter für elektrischen Strom. Das kann sich in extrem kurzen Zeitintervallen von Millionstel Milliardstel Sekunden, kurz Femtosekunden, jedoch ändern. Das Kohlenstoff-Material kann sogar halbleitende Eigenschaften zeigen, berichten jetzt Berliner Physiker in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters". Möglich wurden diese überraschenden Ergebnisse mit ultrakurzen Laserpulsen. Diese heizten die Elektronen im Grafit auf hohe Temperaturen von etwa 2200 Grad Celsius auf. Solche Versuche liefern wichtige Erkenntnisse für den Aufbau von elektronischen Schaltkreisen aus Kohlenstoff statt aus Silizium.

"Die Temperaturen sinken innerhalb von 200 Femtosekunden auf weniger als 700 Grad", erklären Markus Breusing vom Max-Born-Institut und seine Kollegen von der Universität Göttingen. Dieses bisher unbekannte Verhalten von Elektronen in dünnen kristallinen Graphitschichten konnte das Team mit ultrakurzen Laserblitzen quasi filmen. Fallen die Lichtpulse in einer Vakuumkammer auf die flache Probe, regen sie Elektronen auf Zustände hoher Energie an. Innerhalb von 30 Femtosekunden bilden die Elektronen ein 2200 Grad Celsius heißes Gas, kühlen sich jedoch innerhalb von 500 Femtosekunden auf etwa 200 Grad ab. Die dabei freiwerdende Energie wird an das Kristallgitter übertragen. Danach kehren die Elektronen auf einer deutlich langsameren Zeitskala in ihre ursprünglichen Zustände zurück.

Im gleichen Zeitraum treten auch die halbleitenden Eigenschaften von Grafit auf. Daher hat diese Dynamik der Elektronen einen starken Einfluss auf den elektrischen Transport. Spielen im Alltag solche kurzen Zeitintervalle keine Rolle, sind sie für schnelle Schaltprozesse in zukünftigen Computerchips, die mit extrem hohen Frequenzen arbeiten, relevant. Aber bis funktionierende Prozessoren entwickelt werden können, die nicht mit Silizium, sondern mit Nanoteilchen aus Kohlenstoff rechnen, sind noch einige Forschungsjahre nötig.