Laserschleifen erzeugen ultraschnelle elektrische Ströme in Festkörpern

Ein bichromatisches Laserfeld regt die Elektronen in einem Festkörper an und produziert dort Photoströme im 90°-Winkel zum Laser.
(c) Jörg Harms, MPSD

Theoretiker des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) sagen voraus, dass eine ungewöhnliche Laserquelle hochgradig kontrollierbare elektrische Ströme in Festkörpern aller Art erzeugen könnte. Die in Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit des Teams liefert neue Erkenntnisse für die Entwicklung ultraschneller opto-elektronischer Bauelemente, für effizientere Photovoltaik und für die Untersuchung des Verhaltens von Elektronen in Festkörpern.

Die Forscher konzentrierten sich auf einen intensiven Laserstrahl, der nur aus Photonen mit niedriger Energie, besteht aber aus zwei zirkular polarisierten Frequenzen (ein bi-chromatischer Strahl). Die Polarisierung des elektromagnetischen Felds dieses Strahls zeichnet eine spezifische Form in Raum und Zeit: Die Kombination der beiden Farben führt zu einer Doppelschleifenbewegung, die die Elektronen im Festkörper in verschiedene Richtungen treibt. Gemeinsam mit dem intensiven Strahl bewirkt diese Doppelschleifen-Laserlicht einen radikalen Effekt: Viele Photonen werden gleichzeitig absorbiert und regen die Elektronen an, so dass ein Strom entsteht.

„Normalerweise werden niederenergetische Photonen nicht vom Material nicht absorbiert“, sagt Erstautor Ofer Neufeld, ein Humboldt-Stipendiat in der Theorieabteilung des MPSD. „Wir umgehen dies, indem wir einen sehr intensiven Laserstrahl mit vielen Photonen nutzen, der es mehreren Photonen ermöglicht, sich zu kombinieren und gemeinsam absorbiert zu werden, um so einen Photostrom zu erzeugen.“ Darüber hinaus erzeugen die niederenergetischen Photonen eine vergleichsweise geringe Erwärmung des Materials, so dass es sich um einen hocheffizienten Umwandlungsprozess handelt.

Interessanterweise tritt der Photostrom immer in einem 90-Grad-Winkel zum Laser auf, so dass seine Richtung und Amplitude sehr gut steuerbar sind. Das funktioniert allerdings nur bis zu einem bestimmten Punkt: „Bei sehr intensiven Strahlleistungen kommt es zu einem spontanen Symmetriebruch und die Richtung des Stroms ist nicht mehr vorhersagbar“, sagt Neufeld. „Dann entstehen jedoch interessante Effekte wie induzierte Wechselwirkungen zwischen Elektronen und die Empfindlichkeit gegenüber der Trägerphase der Photonen. Wir hoffen, dass wir durch die Messung der erzeugten Ströme auch neue Erkenntnisse über die grundlegenden Prozesse gewinnen können, die auf Zeitskalen von weniger als einer Femtosekunde – also einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde – ablaufen.“

Mit diesem neuen Ansatz lassen sich laut den Forschern Photoströme in einem breiten Spektrum von zwei- und dreidimensionalen Materialien erzeugen, von Isolatoren mit großen Bandlücken wie Diamant und Silizium bis hin zu Graphen und anderen Halbmetallen. Langfristig könnten die Erkenntnisse des Teams zur Entwicklung superschneller, lichtgesteuerter elektronischer Schalter beitragen – dem Bereich der Petahertz-Elektronik, wo elektronische Bewegungen sowohl zeitlich als auch räumlich gesteuert werden müssen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Ofer Neufeld, Erstautor: ofer.neufeld@mpsd.mpg.de

Originalpublikation:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.126601

Weitere Informationen:

https://www.mpsd.mpg.de/570615/2021-09-neufeld-loops?c=42319

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