02.02.2022 Terahertzstrahlen verraten Elektronen-Kristalle

Marburger Physiker zeigen, dass Licht im Terahertz-Frequenzbereich exotische Materialzustände aufdeckt

Die Marburger Physiker Samuel Brem und Ermin Malic berechneten, dass sich Wigner-Kristalle mit Terahertzstrahlen nachweisen lassen.

Terahertz-Strahlung eignet sich dazu, zweidimensionale Kristalle nachzuweisen, die aus Elektronen bestehen statt aus Atomen. Das zeigen Modellrechnungen der Marburger Physiker Dr. Samuel Brem  und Professor Dr. Ermin Malic. Die Wissenschaftler berichten im Fachblatt „Nano Letters“ über ihre Ergebnisse. 

Wenn sich Elektronen in hauchdünnen Materialien zum Kristallgitter anordnen, lässt sich dies mit Terahertzstrahlen nachweisen.

Kristalle müssen nicht aus Atomen bestehen – auch Elektronen können Kristalle bilden, wenn sie sich in einem regelmäßigen Gitter anordnen. Das ist bereits in hauchdünnen Halbleitern gelungen, die nur eine Atomlage dick sind. „Es handelt sich um eine exotische Quantenphase der Materie“, legt Malic dar. „Solche Wigner-Kristalle in atomdünnen Nanomaterialien sind ein heißes Thema in der aktuellen Forschung.“

Aber wie lässt sich überhaupt feststellen, ob ein Wigner-Kristall vorliegt oder nicht? Bislang erbrachte die Wissenschaft hierfür eher indirekte Nachweise. „Ein direkter, zuverlässiger und schlüssiger experimenteller Beweis für den Wigner-Kristall konnte bisher jedoch nicht erbracht werden“, erklärt Samuel Brem.

Genau hier setzen die beiden Marburger Physiker mit ihrer Studie an. Sie schlagen vor, Terahertz-Strahlung für den Nachweis zu nutzen. Dabei handelt es sich um Licht, dessen Wellenlängen im Bereich zwischen Infrarot und Mikrowellen liegen. Malic und Brem entwickeln in ihrem Fachaufsatz ein theoretisches Modell, um einerseits die Beschaffenheit und die optischen Eigenschaften des Wigner-Kristalls zu beschreiben; andererseits dient die Theorie dazu, die Form des erhaltenen Terahertz-Spektrums zu analysieren.

„Unsere Berechnungen zeigen, dass das Antwortspektrum von einschichtigen Wigner-Kristallen auf eine Terahertz-Bestrahlung als eindeutiger Fingerabdruck verwendet werden kann“, berichten die Autoren. Malic und Brem sagen das Auftreten einer Reihe von Terahertz-Resonanzen voraus, die verschiedene atomar dünne Materialien kennzeichnen; „unsere Ergebnisse lassen sich auf ein beliebiges zweidimensionales System verallgemeinern“, schlussfolgern die Marburger Physiker.

Professor Dr. Ermin Malic leitet die Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Quantendynamik“ an der Philipps-Universität Marburg. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützte die wissenschaftliche Arbeit über ihren Sonderforschungsbereich 1083, die Europäische Union aus ihrer Förderlinie „Graphene Flagship“.

Originalveröffentlichung: Samuel Brem & Ermin Malic: Terahertz fingerprint of monolayer Wigner crystals, Nano Letters 2022, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04620