Elektronen und Gitterschwingungen – ein starkes Team im Nanokosmos

Träger des elektrischen Stroms sind frei bewegliche Elektronen, die mit hoher Geschwindigkeit durch das Kristallgitter des Halbleiters wandern. Dabei verlieren sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie, indem sie die Atome des Kristallgitters in Schwingungen versetzen.

In Halbleitern wie Galliumarsenid werden die positiv und negativ geladenen Ionen des Kristallgitters ausgelenkt und schwingen mit einer extrem kurzen Periodendauer von 100 Femtosekunden (1 fs = 10-15 s = 1 Milliardstel einer Millionstel Sekunde) gegeneinander. Im Mikrokosmos der Elektronen und Ionen ist die Schwingungsbewegung quantisiert. Das bedeutet, dass die Energie dieser Schwingung nur ein ganzzahliges Vielfaches eines Schwingungsquants, eines sog. Phonons, sein kann. Bei der Wechselwirkung eines Elektrons mit dem Kristallgitter, der sog. Elektron-Phonon-Wechselwirkung, werden Energiepakete in Form einzelner Schwingungsquanten übertragen.

Wie Forscher des Berliner Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters berichten, hängt die Stärke der Elektron-Phonon-Wechselwirkung empfindlich von der Größe des Elektrons, d.h. von der räumlichen Ausdehnung seiner Ladungswolke ab. Experimente im Zeitbereich der Phonon-Schwingungsperiode zeigen, dass für eine reduzierte Ausdehnung der Elektronenwolke eine bis zu 50fach verstärkte Wechselwirkung auftritt. Hierdurch können die Bewegungen der Elektronen und der Ionen so stark aneinander gekoppelt werden, dass die Einzelbewegungen nicht mehr erkennbar sind. Elektron und Phonon bilden ein neues Quasiteilchen, ein Polaron.

Um dieses Phänomen sichtbar zu machen, verwendeten die Wissenschaftler Nanostrukturen aus Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid, in denen die Energien der Elektronen und der Ionenbewegung aneinander angepasst waren. Die Kopplung der Bewegungen wurde mit einem neuen optischen Verfahren sichtbar gemacht. Das System wird durch mehrere ultrakurze Lichtimpulse im Infraroten angeregt und das von den bewegten Ladungen abgestrahlte Lichtfeld wird in Echtzeit gemessen. Die Messungen ergeben sog. zweidimensionale nichtlineare Spektren (s. Abb.), in denen gekoppelte optische Übergänge getrennt erscheinen und aus denen sich die Kopplungsstärke zwischen Elektronen und Phononen ableiten lässt. Aus der Auswertung der Messdaten ergibt sich die Ausdehnung der Elektronen-Ladungswolke, die nur 3-4 Nanometer (1 Nanometer = 10-9 m = 1 Milliardstel Meter) beträgt. Darüber hinaus beweist die neue Methode erstmals den starken Einfluss der Elektron-Phonon Kopplung auf die optischen Spektren des Halbleiters. Dies bietet interessante Perspektiven für die Entwicklung optoelektronischer Bauelemente mit maßgeschneiderten optischen und elektrischen Eigenschaften.

Originalveröffentlichungen: W. Kuehn et al., Phys. Rev. Lett. 107, 067401 (2011); J. Phys. Chem. B 115, 5448 (2011).

Kontakt:
K. Reimann, M. Wörner, T. Elsässer, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Tel.: 030 6392 1470, reimann@mbi-berlin.de, woerner@mbi-berlin.de