Neuer Quanteneffekt in Halbleitern beobachtet

Moderne Hochgeschwindigkeitselektronik basiert auf winzigen Halbleiterstrukturen, in denen Elektronen mithilfe von elektrischen Feldern auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Bald schon dürften Feldstärken erreicht werden, die zu einer neuen Klasse von Quantenphänomenen führen. Physiker um Olaf Schubert von der Universität Regensburg haben nun nachgewiesen, dass sich Elektronen in Halbleitern, wenn sie einem starken elektrischen Feld ausgesetzt werden, nicht mehr gleichförmig in eine Richtung bewegen. Die Teilchen führen vielmehr extrem schnelle Schwingungen aus, wobei sie Licht über einen breiten Spektralbereich ausstrahlen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht.

Punktgitter aus Würfeln, darin einige schwingende Feuerkugeln, von denen Wellenlinien ausgehen.
Schwingende Elektronen im Kristallgitter

Treffen Wasserwellen auf ein Hindernis, etwa einen Stein, dann werden sie daran gebeugt: Vor dem Stein bildet sich ein charakteristisches Muster aus ringförmigen Wellen aus. Ähnlich verhält es sich bei der Bewegung von Elektronen durch einen kristallinen Festkörper: Sie können sich nicht frei bewegen, sondern werden an den regelmäßig angeordneten Atomen gestreut. Denn Elektronen lassen sich in der Quantenmechanik als Welle beschreiben. Die enorme Anzahl der Atome führt dabei zu einem komplexen Streumuster und zu einer überraschenden Vorhersage: Legt man ein starkes elektrisches Feld an den Festkörper an, dann sollten sich die Elektronen darin nicht gleichförmig in eine Richtung bewegen, sondern zu schwingen beginnen. Diese sogenannten Bloch-Oszillationen konnten bislang nur in künstlichen Modellsystemen beobachtet werden.

Einem Physikerteam ist es nun gelungen, elektrische Felder in der Größenordnung von zehn Milliarden Volt pro Meter mit einer Genauigkeit von billiardstel Sekunden an Halbleiter anzulegen und die Schwingungen der Halbleiterelektronen zu beobachten. Die Forscher nutzten dazu eine erst vor kurzem in Betrieb genommene Hochfeld-Terahertzquelle an der Universität Regensburg. Mit einer hochauflösenden Zeitlupenkamera konnten die Wissenschaftler zudem zeigen, dass die schwingenden Elektronen elektromagnetische Strahlung vom Mikrowellen- bis hin zum Ultraviolettbereich ausstrahlen. Ein eigens hierfür entwickeltes quantenmechanisches Modell half dem Team, die Messdaten eindeutig als Bloch-Oszillationen zu identifizieren und zu beschreiben.

Die Ergebnisse vermitteln neue Einblicke, die für künftige Generationen von Halbleiterbauelementen bedeutsam werden könnten. Sie zeigen, dass sich elektrische Ströme auf Zeitskalen einzelner Lichtschwingungen kontrollieren lassen. Die Elektronik der Zukunft könnte also auch bei optischen Taktraten funktionieren. Nicht zuletzt senden solche Elektronenschwingungen ultrakurze Lichtblitze mit einer hohen Bandbreite im infraroten Spektralbereich aus. Eine solche Lichtquelle könnte ein wertvolles Forschungsinstrument für die Ultrakurzzeitphysik werden.