23.11.2007
Ultrakurze elektrische Ströme
Marburger Physiker beobachten erstmals die ultraschnelle zeitliche Entwicklung der grundlegenden mikroskopischen Prozesse, die für den elektrischen Widerstand von Materialien verantwortlich sind.
Forschern am Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg ist es mit Hilfe modernster optischer Techniken gelungen, elektrische Stromimpulse zu erzeugen und nachzuweisen, die tausend mal kürzer sind als solche, die bisher mit der schnellsten Elektronik messbar waren. Diese ultrakurzen Stromimpulse wurden durch Bestrahlung von Metalloberflächen mit Femtosekundenlasern generiert (1 Femtosekunde = 1 fs = 0,000 000 000 000 001 Sekunden). Aufgrund ihrer kurzen Dauer ermöglichen die Stromimpulse fundamentale Studien der Wechselwirkungsmechanismen von Elektronen im Festkörper. Insbesondere konnten die Marburger Forscher erstmals die ultraschnelle zeitliche Entwicklung der grundlegenden mikroskopischen Prozesse beobachten, die für den elektrischen Widerstand von Materialien verantwortlich sind. Ihr Artikel wurde am 23. November 2007 in Science veröffentlicht.
Schon am Anfang des 20. Jahrhunderts erkannte Paul Drude, dass die elektrische Leitfähigkeit von Metallen durch Stöße der Elektronen an den Atomrümpfen bestimmt wird. Aus dieser Überlegung folgt, dass selbst in sehr guten elektrischen Leitern wie Kupfer die Zeit zwischen zwei Stößen nur wenige 10 Femtosekunden beträgt. Diese Effekte konnten bisher jedoch nie direkt gemessen werden, da auf dieser Zeitskala keine Transportmessungen durchgeführt werden konnten. Die neuartigen, in Marburg erstmals experimentell realisierten und theoretisch modellierten Strompulse machen nun gerade solche Untersuchungen möglich und eröffnen damit ein weites Feld für fundamentale Studien. Außerdem könnte die gezielte Erzeugung und Manipulation von Stromimpulsen auf dieser extrem kurzen Zeitskala eines Tages zur Entwicklung elektronischer Bauelemente mit ultraschnellem Ladungsträgertransport führen.
![Schema Schema](full/479685d1f01ee1aad2fce94d01835ace50a4bc15.jpg)
Die Besonderheit des Marburger Experimentes liegt aber vor allem in dem zeitaufgelösten Nachweis des Stromes mit Hilfe des Photoeffektes. Dazu wird ein dritter, roter Laserimpuls mit variabler Zeitverzögerung Dt eingestrahlt, der die angeregten Elektronen aus der Probe herauslöst ohne ihre Geschwindigkeit parallel zur Probenoberfläche zu ändern. Der Strom in der Probe kann dann direkt durch Messung der Geschwindigkeitsverteilung der emittierten Elektronen mit einem Elektronenanalysator beobachtet werden. Die Abbildung illustriert eine Anregung mit der Phasendifferenz DF=90°, bei der sich die meisten angeregten Elektronen zunächst nach rechts bewegen. Ihre Geschwindigkeiten parallel zur Oberfläche der Probe betragen dabei typisch etwa 1 Å/fs oder 100 km/s (1 Å = 0.000 000 0001 m, 3 Å entsprechen dem typischen Atomabstand in Festkörpern).
Durch Streuung der Elektronen mit Defekten der Probe, bei welcher die Ausbreitungsrichtung der Elektronen geändert wird, geht die zunächst asymmetrische Verteilung in wenigen zehn Femtosekunden in eine symmetrische Verteilung über und der Strom fällt ab. Im Experiment wird diese ultrakurze Zerfallszeit in einem Anregungs-Abfrage (Pump-Probe)-Schema aufgelöst, bei dem die Geschwindigkeitsverteilung für verschiedene Zeitverzögerungen Dt gemessen wird.
![Labor Labor](full/14785952fc9a09002df3fa1bbe8a0298803bf457.jpg)
Weitere Informationen:
Orginalveröffentlichung: J. Güdde, M. Rohleder, T. Meier, S.W. Koch, U. Höfer, Time-resolved investigation of coherently controlled electric currents at a metal surface, Science, 23. November 2007: 1287-1291.
Animation des Experiments : http://www.physik.uni-marburg.de/of/dynamics/cc_animation.html
Kontakt
: Prof. Dr. Ulrich Höfer
Fachbereich Physik und Zentrum für Materialwissenschaften
Tel. 06421 / 28-24215, Fax: 06421 / 28- 24218
E-Mail:
hoefer@physik.uni-marburg.de
http://www.physik.uni-marburg.de/of/