Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf ultraschneller Wanderschaft im Graphen

05.10.2015

Forscher des Labors für Attosekundenphysik des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians Universität haben in Zusammenarbeit mit dem Center for Nano-Optics der Georgia State University in Atlanta (USA) simuliert, was passiert, wenn eine Schicht aus Kohlenstoff-Atomen mit starkem Licht bestrahlt wird.

Trifft Licht auf Elektronen, bewegen diese sich rasend schnell, innerhalb weniger Milliardstel von milliardstel Sekunden (Attosekunden). Was mit Elektronen in Graphenatomen passiert, wenn starke Laserpulse auf sie treffen, haben Forscher des Labors für Attosekundenphysik des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in Zusammenarbeit mit dem Center for Nano-Optics der Georgia State University in Atlanta (USA) simuliert. Ziel solcher Simulationen ist das Verständnis der Licht-Teilchen-Wechselwirkung im Mikrokosmos.


Ein Laserpuls trifft auf eine zweidimensionale Schicht aus Graphen. Dabei verschiebt das Licht die Elektronen der Kohlenstoffatome.

Grafik: Christian Hackenberger

Zukünftig könnte so eine lichtwellengesteuerte Elektronik möglich werden, die rund 100.000 Mal schneller wäre als heutigen Technologien. Sie würde mit der Frequenz von Lichtwellen arbeiten, die rund eine Million Milliarden Mal pro Sekunde schwingen (Petahertz). Graphen mit seinen außergewöhnlichen Eigenschaften eignet sich dabei als Material für erste Versuche besonders gut.

Je genauer wir die Bewegung von Elektronen beobachten können, desto besser verstehen wir deren Wechselwirkung mit Licht. Bis heute hält die Natur viele Phänomene der Licht-Materie-Interaktion in Festkörpern unter Verschluss.

Der Zugang zu diesem inneratomaren Kosmos ist schwierig, da die Vorgänge in wenigen Femtosekunden, ja sogar Attosekunden ablaufen: eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde, eine Attosekunde ist noch tausend Mal kürzer. Die dafür notwendigen experimentellen Messmethoden befinden sich in der Entwicklungsphase, allerdings lassen sich die physikalischen Prozesse mit Hilfe von Simulationen untersuchen.

Physiker des Labors für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität haben nun in Zusammenarbeit mit dem Center for Nano-Optics der Georgia State University in Atlanta (USA) berechnet, was mit den Elektronen in einem Graphen-Kristall passiert, wenn sie von einem starken Lichtpuls getroffen werden.

Das Laserfeld regt die Elektronen an und verschiebt sie, wodurch sich die Ladungsdichteverteilung ändert. Währenddessen wird ein extrem kurzer Elektronenpuls an der Probe gestreut. Aus der Ablenkung dieser Materiewellen, der so genannten Diffraktometrie, können die Forscher schließen, welche Veränderungen in der Ladungsdichte durch den Laserblitz ausgelöst wurden.

Die Simulation eines solchen Ereignisses hat nun komplexe Zusammenhänge aufgezeigt zwischen der Anregung von Elektronen durch Licht und ihrer darauf folgenden ultraschnellen Wanderschaft in und zwischen den Kohlenstoffatomen in der Graphenschicht. Benachbarte Atome teilen sich die nur schwach gebundenen Valenzelektronen.

Ihr Verhalten untersuchen die Wissenschaftler, indem sie die elektrische Ladung innerhalb von mikroskopisch kleinen Volumeneinheiten, die unterschiedliche chemische Bindungen repräsentieren, analysieren. Während der Bestrahlung mit dem Laserpuls findet eine signifikante Umverteilung der Ladung statt; gleichzeitig ist die Verschiebung aufgrund des elektromagnetischen Feldes des Laserpulses sehr klein, sie beträgt weniger als ein Pikometer (10 hoch minus 12 Meter). Die Rechnungen zeigten außerdem, dass der lichtinduzierte elektrische Strom nicht gleichmäßig durch die Schicht fließt, sondern nur entlang der chemischen Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen.

Die Simulationen sollen dazu beitragen, Experimente für Ultrakurzzeit-Elektronendiffraktometrie zielgerichtet aufzubauen. „Möglicherweise werden viele weitere Phänomene entdeckt“, sagt Vladislav Yakovlev, der wissenschaftliche Leiter der Simulationen. „Möglicherweise werden Abweichungen von unseren Vorhersagen beobachtet. Aber auf jeden Fall sind wir uns ziemlich sicher, dass es noch einiges an neuer grundlegender Physik zu messen gibt, und dass ein Blick in die Licht-Materie Wechselwirkung mit atomarer Auflösung zwar anspruchsvoll, aber möglich ist“, ergänzt er. [Thorsten Naeser/Olivia Meyer-Streng]

Originalveröffentlichung:

Vladislav S. Yakovlev, Mark I. Stockman, Ferenc Krausz & Peter Baum
Atomic-scale diffractive imaging of sub-cycle electron dynamics in condensed matter
Scientific Reports, 28. September 2015, doi: 10.1038/srep14581

Kontakt:

Dr. Peter Baum
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Ludwig-Maximilians-Universität München
Am Coulombwall 1, 85748 Garching
Telefon: +49 (0)89 / 289 - 14102
E-Mail: peter.baum@lmu.de

Dr. Vladislav Yakovlev
Center for Nano-Optics
Georgia State University
Atlanta, GA 30303, USA
Telefon: +1-404-413-6099
E-Mail: vyakovlev@gsu.edu

Prof. Dr. Ferenc Krausz
Lehrstuhl für Experimentalphysik,
Ludwig-Maximilians-Universität München
Labor für Attosekundenphysik
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 32 905 - 600
Telefax: +49 (0)89 32 905 - 649
E-Mail: ferenc.krausz@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse-und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten
23.01.2018 | Universität Basel

nachricht Reisetauglicher Laser
22.01.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten

Physiker haben eine lichtmikroskopische Technik entwickelt, mit der sich Atome auf der Nanoskala abbilden lassen. Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere, Quantenpunkte in einem Halbleiter-Chip bildlich darzustellen. Dies berichten die Wissenschaftler des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Kollegen der Universität Bochum in «Nature Photonics».

Mikroskope machen Strukturen sichtbar, die dem menschlichen Auge sonst verborgen blieben. Einzelne Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers...

Im Focus: Optical Nanoscope Allows Imaging of Quantum Dots

Physicists have developed a technique based on optical microscopy that can be used to create images of atoms on the nanoscale. In particular, the new method allows the imaging of quantum dots in a semiconductor chip. Together with colleagues from the University of Bochum, scientists from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute reported the findings in the journal Nature Photonics.

Microscopes allow us to see structures that are otherwise invisible to the human eye. However, conventional optical microscopes cannot be used to image...

Im Focus: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

23.01.2018 | Veranstaltungen

Gemeinsam innovativ werden

23.01.2018 | Veranstaltungen

Leichtbau zu Ende gedacht – Herausforderung Recycling

23.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Lebensrettende Mikrobläschen

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

3D-Druck von Metallen: Neue Legierung ermöglicht Druck von sicheren Stahl-Produkten

23.01.2018 | Maschinenbau

CHP1-Mutation verursacht zerebelläre Ataxie

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics