Elektronen hinken dem Atomkern hinterher

Einer der grossen Erfolge der Physik des 20. Jahrhunderts war die quantenmechanische Beschreibung von Festk?rpern. Dadurch konnten Wissenschaftler:innen erstmals verstehen, wie und warum bestimmte Materialien elektrischen Strom leiten und wie sie diese Eigenschaften gezielt beeinflussen k?nnen. So konnten etwa Halbleiter wie Silizium zur Herstellung von Transistoren verwendet werden, was die Elektronik revolutionierte und moderne Computer m?glich machte. 

Um das komplexe Zusammenspiel von Elektronen und Atomkernen und deren Bewegungen in einem Festk?rper mathematisch erfassen zu k?nnen, mussten Physiker:innen allerdings einiges vereinfachen. Zum Beispiel nahmen sie an, dass die leichten Elektronen in einem Atom der Bewegung der viel schwereren Atomkerne im Kristallgitter des Festk?rpers ohne Verz?gerung folgen. Diese Born-Oppenheimer-N?herung leistete ¨¹ber mehrere Jahrzehnte gute Dienste. 

N?herung versagt in bestimmten Materialien

Nun aber haben Forschende der ETH Z¨¹rich und des Max-Planck-Instituts f¨¹r Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg gezeigt, dass die Elektronen in bestimmten Materialien mit einer Verz?gerung reagieren. Diese Verz?gerung h?ngt zudem davon ab, wo die Elektronen lokalisiert sind und in welchem Energiezustand sie sich befinden.   

Mithilfe von Experimenten mit Attosekunden-Aufl?sung und theoretischen Berechnungen konnten Ursula Keller und Lukas Gallmann vom Departement Physik der ETH nachweisen, dass die Elektronen in flachen Schichtmaterialien, den sogenannten MXenen, nach Anregung einer Gitterschwingung merklich verz?gert auf Bewegungen der Atomkerne reagieren. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden soeben im Fachjournal externe Seite Science ver?ffentlicht. Die Resultate k?nnten k¨¹nftig dabei helfen, neuartige opto-elektronische Bauteile zu entwickeln.

Interessanter Effekt in graphen?hnlichen Materialien

Mit der Attosekunden-Spektroskopie untersuchen Forschende physikalische Vorg?nge mit einer unvorstellbar kurzen zeitlichen Aufl?sung. Diese liegt im Bereich von Trillionstelsekunden (Milliardstel Teil einer Milliardstelsekunde, oder 10^-18 Sekunde). In diesem Gebiet haben ETH-Forschende um Keller in den letzten dreissig Jahren Pionierarbeit geleistet. ?Mit Phononen, also Gitterschwingungen, hatten wir uns dabei bisher nur am Rande befasst, weil sie vergleichsweise langsam sind?, sagt Sergej Neb, Erstautor der Studie und Postdoktorand in Kellers Arbeitsgruppe. Bei der Untersuchung von Phononen in MXenen stiessen er und seine Kolleg:innen dann aber auf die unerwartete Verz?gerung in der Bewegung von Elektronen. 

MXene sind zweidimensionale Materialien, ?hnlich wie Graphen. Das MXen, das die ETH-Forschenden untersuchten, besteht aus mehreren Schichten, in denen Titan-, Kohlenstoff- und Sauerstoffatome zu einem Gitter verbunden sind. Hergestellt wurde es von Kolleg:innen des Departments Maschinenbau und Verfahrenstechnik.

Wie aber kann man Gitterschwingungen im Inneren eines solchen Materials studieren? Den Physiker:innen gelang es, im MXen mit einem kurzen Infrarotpuls Gitterschwingungen anzuregen. Danach bestrahlten sie das Material mit Attosekunden-Laserpulsen im extremen Ultraviolettbereich und massen, wie viel von dem Laserlicht das Material passiert. Je nach Wellenl?nge der Pulse konnten die Elektronen im Material dazu angeregt werden, Ultraviolett-Photonen zu absorbieren und dadurch in h?here Energieniveaus zu gelangen.

Schliesslich wiederholten die Forschenden das Experiment, ohne anfangs die Gitterschwingungen anzuregen. Aus der Differenz der beiden Resultate konnten sie dann auf die Bewegung der Elektronen und Atomkerne schliessen.

Elektronen hinken hinterher

Insbesondere konnten die Physiker:innen durch ?nderung des zeitlichen Abstands zwischen den beiden Laserpulsen von wenigen Femtosekunden (10^-15 Sekunde; millionster Teil einer Milliardstelsekunde) bis hin zu Pikosekunden (10^-12 Sekunde, tausendster Teil einer Milliardstelsekunde) sehr pr?zise bestimmen, mit welcher Verz?gerung die Elektronen auf die pl?tzliche Anregung der Gitterschwingung reagierten. 

?In der herk?mmlichen Born-Oppenheimer-N?herung w¨¹rde man ja gar keine Verz?gerung erwarten?, sagt Neb, ?doch wir stellten fest, dass die Elektronen bis zu dreissig Femtosekunden hinter den Atomkernen hinterherhinkten ¨C in der Attosekunden-Welt ist das eine sehr lange Zeit.?

Die ETH-Forschenden verglichen schliesslich ihre Daten mit den Ergebnissen eines mathematischen Modells ihrer Hamburger Kolleg:innen und konnten so schlussfolgern, dass die Schwingungen der Atomkerne die r?umliche Verteilung der Elektronen beeinflussen, was wiederum die elektromagnetischen Felder in der Umgebung der Atome im Gitter ver?ndert. Zudem spielten Wechselwirkungen zwischen den Elektronen eine grosse Rolle.

Und mehr noch: Aus den Daten konnten Neb und Kolleg:innen sogar herauslesen, wie sich die Elektronen in der Umgebung der verschiedenen Atome des MXens verhielten. ?Ein solcher Blick auf die Dynamik zwischen Elektronen und Phononen auf der Ebene einzelner Atome ¨C und dabei sogar abh?ngig vom Zustand, der Bindung und der Energie ¨C war bisher nicht m?glich. Erst unsere Attosekunden-Technologie hat diese Detailaufl?sung erm?glicht?, erkl?rt Neb.

Praktische Anwendungen denkbar

Von den neuen Einblicken in das Zusammenspiel zwischen Elektronen und Gitterschwingungen erhoffen sich die Forschenden pr?zisere mathematische Modelle, die ¨¹ber die bisherigen N?herungen hinausgehen. Auch praktische Anwendungen sind denkbar. ?Unsere Methode erlaubt eine Messung der Kopplungsst?rke zwischen Elektronen und Gitterschwingungen. Damit k?nnen wir vorhersagen, unter welchen Bedingungen bestimmte Elektronen st?rker oder schw?cher an der W?rmeleitung beteiligt sind?, f¨¹gt Neb hinzu. 

Ein besseres Verst?ndnis des Energie- und Ladungstransports er?ffnet mehr Kontrolle ¨¹ber Materialien und damit neue M?glichkeiten f¨¹r opto-elektronische Bauteile auf der Nanoskala. Gleichzeitig liefern die mikroskopischen Einblicke in die W?rmeleitung auf atomarer Ebene Ansatzpunkte f¨¹r noch kleinere und effizientere elektronische Komponenten.