Stellen Sie sich vor, Sie stehen an einem See und werfen einen Stein ins Wasser. Wellen breiten sich kreisf?rmig aus und werden reflektiert. {web_name}es allt?gliche Ph?nomen haben Forschende der Universit?t Regensburg mit Kolleginnen und Kollegen aus Mailand und Pisa in eine faszinierende Miniaturwelt übertragen: Sie beobachteten die Ausbreitung von Wellen – nicht auf Wasser, sondern auf einem ?Elektronensee“ – mit einer der schnellsten Zeitlupenkameras auf der Nanoskala.
Grunds?tzlich findet man solche Elektronenseen an Oberfl?chen von Metallen oder Materialien mit metall?hnlichen Eigenschaften. In ihrem Fall war das Graphen – ein sogenanntes zweidimensionales Material, das nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatomen besteht. Statt eines Steines nutzten die Wissenschaftler Laserimpulse, die sie auf eine scharfe metallische Spitze fokussierten, die sich unmittelbar über besagter Materialoberfl?che befindet. ?Das Licht versetzt dann die Elektronen in der Spitze in Schwingung“, erkl?rt Simon Anglhuber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der UR. ?Die Schwingungen, die dadurch entstehen, üben eine Kraft auf die Elektronen im Graphen aus. {web_name}e Bewegung sorgt dafür, dass sich unter der Spitze eine kreisf?rmige Elektronen-Dichte-Welle im Graphen ausbreitet.“ {web_name}e Welle kann an den Kanten der Probe reflektieren und wieder zurück zur Spitze laufen. Die Reflektion l?sst sich dann direkt optisch vermessen, indem man die Elektronenwelle in einem umgekehrten Prozess wie zuvor wieder in Licht umwandelt. Wenn man die Spitze ?u?erst pr?zise über die Probe bewegt, kann man einen Film aufnehmen, der zeigt, wie die Welle zu jedem Zeitpunkt an unterschiedlichen Orten schwingt.
Grafik: Simon Anglhuber Hochpr?zise Analyse der Wellenbewegung
Im Gegensatz zu bisherigen Studien erlaubt es die neue Technik, die Ausbreitung dieser Elektronenwellen direkt in Raum und Zeit zu verfolgen. All das gelang mit einer Aufl?sung im Nanometerbereich, also auf der relevanten L?ngenskala modernster Halbleitertechnologie (1 nm = 10-9 m), sowie mit einer Zeitaufl?sung im Femtosekundenbereich. In Bezug auf die zeitliche Aufl?sung ist die angewendete Methode vergleichbar mit einer ultraschnellen Zeitlupenkamera mit einer Bildrate von über 10 Billionen Bildern pro Sekunde (>10?? fps). Das Ergebnis ist eine hochpr?zise Analyse der Wellenbewegung, einschlie?lich ihrer Geschwindigkeit, D?mpfung und Frequenz, ohne aufwendige rechnerische Transformationen. Insbesondere konnten die Forschenden einen Unterschied zwischen der Ausbreitung des Schwerpunkts der Welle im Vergleich zu der Ausbreitung der einzelnen Wellenberge und T?ler beobachten. Durch ein exaktes Vermessen dieser beiden Geschwindigkeiten lassen sich Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Materials ziehen, in welchem sich die Wellen ausbreiten.
Im Experiment verglichen die Forscherinnen und Forscher Graphen-Proben aus unterschiedlichen Herstellungsmethoden und fanden gravierende Unterschiede in der Ausbreitung der Wellen, die sich auf eine unterschiedliche Qualit?t der Proben zurückführen lie?. {web_name} hilft für die weitere Entwicklung besserer Proben, die in optoelektronischen Ger?ten, wie zum Beispiel hochsensitiven Lichtsensoren, genutzt werden k?nnen. Besonders bemerkenswert ist, dass die Methode auch für stark ged?mpfte Elektronenwellen im sogenannten Terahertz- und mittleren Infrarotbereich funktioniert – einem Bereich zwischen unserem 5G Netz und sichtbarem Licht, der bisher schwer zug?nglich ist.
Ultraschnelle Kontrolle der Oberfl?chenwellen
Als abschlie?enden Schritt nutzten die Forschenden noch einen weiteren Laserimpuls, um den Elektronensee in der Graphen Probe gezielt zu st?ren, w?hrend sich die Elektronenwelle ausbreitete. Die Forscherinnen und Forscher konnten damit die Welle selektiv abschw?chen, sobald sie den zweiten Laserimpuls einschalteten. Dadurch kann man den Wellen nicht nur zusehen und etwas über das Material in seiner statischen Form lernen, sondern auch Einfluss nehmen und die Materialeigenschaften ultraschnell ver?ndern. {web_name}e direkte Kontrolle von Elektronen-Dichte-Wellen k?nnte ein entscheidender Schritt sein, um neue elektronische Elemente zu bauen, deren Taktraten um mehr als das Tausendfache schneller sein k?nnten als in derzeitiger Elektronik.
Publikation:
Simon Anglhuber, Martin Zizlsperger, Eva A. A. Pogna, Yaroslav A. Gerasimenko,
Anastasios D. Koulouklidis, Imke Gronwald, Svenja Nerreter, Leonardo Viti, Miriam S. Vitiello, Rupert Huber & Markus A. Huber, Spacetime Imaging of Group and Phase Velocities of Terahertz Surface Plasmon Polaritons in Graphene.
In: Nano Letters. DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04615 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)
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Dr. Markus Huber
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