Kollektive, ultrahochfrequente Zitterbewegung
MBI-Kristallforscher experimentieren für die Zukunft elektronischer Bauteile
Der Kavalierstart von Elektronen in einem Kristall bleibt nicht ohne Folgen für ihr weiteres Schicksal. Das berichten die Berliner Forscher Peter Gaal, Wilhelm Kühn, Klaus Reimann, Michael Woerner, und Thomas Elsässer vom Max-Born-Institut sowie Rudolf Hey vom Paul- Drude-Institut in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Nature (Bd. 450, Seite 1210). Sie untersuchten die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in einem Galliumarsenidkristall, der für kurze Zeit einem sehr hohen elektrischen Feld ausgesetzt wurde. Dieses auch konzeptionell neue Experiment zeigt erstmals eine kollektive, ultrahochfrequente Zitterbewegung der Elektronen, die zusätzlich zur bekannten räumlichen Drift dieser Teilchen auftritt. Der neu entdeckte Effekt könnte bei der Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen eine wichtige Rolle spielen.
Galliumarsenid (GaAs) ist eines der wichtigsten Materialien für die Halbleiter-Optoelektronik. Ein GaAs-Kristall besteht aus einem regelmäßigen Gitter von Gallium- und Arsen-Atomen, wobei die Galliumatome leicht positiv und die Arsenatome leicht negativ geladen sind. Wenn sich ein Elektron langsam durch den Kristall bewegt, führt dies zu einer Verzerrung des Kristallgitters in seiner Umgebung. Die negative elektrische Ladung des Elektrons stößt negativ geladene Atome ab und zieht positiv geladene an. Hierdurch werden die Atome in Schwingungen um ihre Ruhelage versetzt: Gitterschwingungen, so genannte Phononen, entstehen. „Das kann man sich vorstellen wie bei einem schweren Ball, der über eine Matratze rollt“, erläutert Michael Woerner. „Die Metallfedern der Matratze werden zusammengedrückt und entspannen sich wieder.“ Durch die Erzeugung von Gitterschwingungen verliert das Elektron Energie und wird in seiner Bewegung gebremst. Diese Abbremsung ist nichts anderes als der elektrische Widerstand eines Materials. Dabei driften die Elektronen mit konstanter Geschwindigkeit durchs Gitter. Dieses physikalische Bild ist die Grundlage des seit etwa hundert Jahren bekannten Ohm'schen Gesetzes für den elektrischen Widerstand.
Eine gänzlich neue Situation tritt auf, wenn die Elektronen einen Kavalierstart hinlegen, das heißt wenn sie – durch ein extrem hohes elektrisches Feld – schneller als die Reaktionszeit der Atome in ihrer Umgebung beschleunigt werden. Die Berliner Forscher verwenden zur Beschleunigung ein elektrisches Feld von 2 Millionen Volt pro Meter, das sie für eine extrem kurze Dauer von 0,3 Pikosekunden (1 Pikosekunde ist ein Millionstel einer Millionstel Sekunde) an den Kristall anlegen. Die hierdurch hervorgerufene Bewegung der Elektronen bilden sie mit ultrakurzen Lichtimpulsen im infraroten Spektralbereich ab. Im Gegensatz zur Driftbewegung mit konstanter Geschwindigkeit, die man bei kleinen elektrischen Feldern findet, wechselt überraschenderweise die Geschwindigkeit der beschleunigten Elektronen periodisch zwischen hohen und niedrigen Werten, das Elektron führt eine Art Zitterbewegung aus. Theoretische Berechnungen haben dieses experimentell gefundene Verhalten quantitativ bestätigt.
Der Leiter der Forschergruppe, MBI-Direktor Prof. Thomas Elsässer, sagt: „Die Tatsache, dass schnell beschleunigte Elektronen einerseits Schwingungen der Atome anregen und andererseits von den schwingenden Atomen abwechselnd gebremst und beschleunigt werden, ist von großer Bedeutung für den Ladungstransport in Nanostrukturen.“ Dort könnten aufgrund der geringen Abmessungen ähnlich starke elektrische Felder auftreten. Elsässer fügt hinzu: „Unsere Ergebnisse bilden deshalb auch eine Grundlage für die Optimierung der Transporteigenschaften von Halbleiter-Nanobauelementen.“
Ansprechpartner:
Dr. Michael Woerner (030 / 6392-1470, woerner(at)mbi-berlin.de )
Prof. Klaus Reimann (-1476, reimann(at)mbi-berlin.de)
Prof. Thomas Elsässer (-1400, elsasser(at)mbi-berlin.de )
Quelle: P. Gaal et al. „ Internal motions of a quasiparticle governing its ultrafast nonlinear response” in Nature, Bd. S. 450, S. 1210-1213
English Version
The crystal strikes back
The dashing start of electrons in a crystal does not remain without consequences for their further fate. This is reported by the Berlin researchers Peter Gaal, Wilhelm Kuehn, Klaus Reimann, Michael Woerner, and Thomas Elsaesser of the Max-Born Institute and Rudolf Hey of the Paul Drude Institute in the latest issue of the magazine Nature (Vol. 450, Page 1210). They examined the ultrafast movement of electrons in a gallium arsenide crystal exposed for a short time to a very high electrical field. This conceptually new experiment shows for the first time a collective, oscillatory motion of the electrons with ultrahigh frequency, which arises additionally to the well-known drift motion of these particles. This newly discovered effect could play an important role in connection with the miniaturization of electronic devices.
Gallium arsenide (GaAs) is one of the most important materials for semiconductor optoelectronics. A GaAs crystal consists of a regular lattice of gallium and arsenic atoms, in which the gallium atoms carry a small negative and the arsenic atoms a small positive electric charge. An electron moving slowly through the crystal causes in its neighbourhood a distortion of the crystal lattice. The negative electric charge of the electron repels negatively charged atoms and attracts positively charged atoms. This causes oscillations of the atoms around their rest position: Lattice vibrations, so called phonons, develop. “That is similar to a heavy ball rolling over a mattress”, describes Michael Wörner. “The metal springs of the mattress are squeezed together and relax again.” By the generation of lattice vibrations, the electrons lose energy and thus are slowed down. This deceleration is nothing else but the electrical resistance. The electrons drift with constant velocity through the lattice. This physical picture is the basis of the long-known law for the electrical resistance, Ohm’s law.
A completely new situation arises if the electrons experience a dashing start, i.e., if they are—by an extremely high electrical field—accelerated faster than the response time of the atoms in their neighbourhood. The Berlin researchers use for this strong acceleration an electrical field of 2 million Volts per meter, which is applied to the crystal for the extremely short duration of 0.3 picoseconds (1 picosecond is a millionth of a millionth of a second). The motion of the electrons caused by this high electric field is observed with ultrashort light pulses in the infrared spectral region. In contrast to the drift motion with constant velocity observed for small electrical fields, for high fields the velocity of the accelerated electrons changes periodically between high and low values. The frequency of these velocity oscillations corresponds exactly to the highest frequency with which the atoms can vibrate, the frequency of so-called longitudinal optical phonons. Theoretical computations confirmed quantitatively this experimentally found behaviour. MBI director Professor Thomas Elsaesser says, “the fact that strongly accelerated electrons can excite vibrations of the atoms and that in turn they are decelerated and accelerated by the vibrating atoms is of great importance for the charge transfer in nanostructures.” In such nanostructures, electrical fields of similar size can arise due to the small dimensions. Elsaesser adds: “Therefore our results are important for the optimization of transportation characteristics of semiconductor nanostructures.”
Contact:
Dr. Michael Woerner (030 / 6392-1470, woerner(at)mbi-berlin.de )
Prof. Klaus Reimann (-1476, reimann(at)mbi-berlin.de)
Prof. Thomas Elsässer (-1400, elsasser(at)mbi-berlin.de )
Source: P. Gaal et al. „ Internal motions of a quasiparticle governing its ultrafast nonlinear response” in Nature, Bd. S. 450, S. 1210-1213