entdeckt_02_2012

entdeckt 02 .12 TITEL WWW.Hzdr.DE Was genau hat Stephan Winnerl nun entdeckt über das merkwürdige Leben von Elektronen in Graphen? Zusammen mit Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf sowie mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Berlin, des Hochfeld-Magnetlabors im französischen Grenoble und des Georgia Institute of Technology in den USA ist es ihm gelungen, die Lebensdauer von Elektronen in Graphen in nied- rigen Energiebereichen zu bestimmen. Dieses Szenario war bisher nicht erforscht. Für die Experimente setzten die Wis- senschaftler ihre Graphenproben dem infraroten Licht vom Freie-Elektronen-Laser im Dresdner Helmholtz-Zentrum aus. Im besonders langwelligen Bereich konnten sie die Energie des Lasers sehr gut auf die Energiebänder im Graphen einstel- len, und zwar sehr nahe dem Dirac-Punkt, also dem Punkt, an dem die Spitzen der beiden entgegengesetzten „Eistüten“ sich berühren. Dabei stellten sie fest, dass die Energie der Licht- teilchen zusammen mit den Schwingungen des Atomgitters die Lebensdauer der Elektronen entscheidend beeinflussen: Wenn die Energie der Lichtteilchen größer ist als die Energie der Gitterschwingungen, ändern die Elektronen schneller ihren Energiezustand und leben kürzer. Umgekehrt verweilen die Elektronen länger auf einem Energieniveau, wenn die Laserenergie kleiner ist als die der Gitterschwingungen. Modellrechnungen an der TU Berlin bestätigen die experi- mentellen Daten aus Dresden und so trägt das internationale Forscherteam zu einem besseren Verständnis der elektro- nischen und optischen Eigenschaften von Graphen bei. Viele Forschungsfragen sind für das Wundermaterial Graphen jedoch noch offen, und die Dresdner Physiker freuen sich auf weitere Experimente, die sie gemeinsam mit den Theoretikern von der TU Berlin und Wissenschaftlern vom Hochfeld-Mag- netlabor in Grenoble durchführen möchten, um das einmalige Verhalten der Elektronen in Graphen unter dem Einfluss von Magnetfeldern zu beobachten. Erste Untersuchungen dort zeigen, dass schon ein relativ niedriges Magnetfeld ausreicht, um die Bandstruktur von Graphen grundlegend zu ändern. Das wiederum hat zur Folge, dass sich die Elektronen nicht mehr frei bewegen können, sondern auf eine in der Ebene liegende Kreisbahn gezwungen werden. In diesem Zustand sind sie fast vergleichbar mit ihren in Quantenpunkten regelrecht einge- sperrten „Kollegen“. In Pyramiden eingesperrt Anders als die in normalem Zustand besonders schnellen und frei beweglichen Elektronen in Graphen ist es um die Elek- tronen in Quantenpunkten bestellt. In aktuellen Experimenten nahmen die HZDR-Forscher solche Punkte aus Indiumarsenid und Indium-Galliumarsenid genauer unter die Lupe, indem sie die winzigen Punkte, die an Pyramiden erinnern, dem Infrarot- Licht des Freie-Elektronen-Lasers im HZDR aussetzten. In jeder Nano-Pyramide befinden sich jeweils nur ein oder zwei Elektronen. Sie führen darin eine Art gefangenes Dasein, das sie in ihrer Bewegungsfreiheit erheblich einschränkt. Man könnte behaupten, dass die Elektronen die engen Wände der Pyramide „spüren“. Übersetzt in die Welt der Physik heißt das, dass die Energie der Elektronen nicht mehr auf die großen Be- reiche der Bänder – entsprechend ihrer Bewegungsenergie – ausgedehnt ist. Vielmehr sitzen sie in den Pyramiden auf ganz bestimmten Energieniveaus fest, wobei die Lage dieser Ener- gieniveaus vom Halbleiter-Material, aber auch von der Größe der Nano-Pyramiden abhängt. Bei Quantenpunkten hat man es also nicht mit den ansonsten breiten Valenz- und Leitungs- bändern zu tun, sondern mit sehr scharf begrenzten Aus- schnitten oder Energieniveaus auf diesen Bändern – deshalb FREIE-ELEKTRONEN-LASER: Die Elektronen aus dem ELBE-Beschleu- niger werden im Undulator (vordere Struktur) auf eine Schlangenlinie – und damit zum Aussenden von Licht – gezwungen. Foto: Sven Claus

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