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Forschende der ETH Zürich haben erstmals in sehr hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gezeigt, dass Elektronen in bestimmten zweidimensionalen Materialien den Bewegungen der Atomkerne nur mit Verzögerung folgen. Diese Erkenntnis könnte in Zukunft zur Entwicklung neuartiger elektronischer Bauteile führen.
Einer der grossen Erfolge der Physik des 20. Jahrhunderts war die quantenmechanische Beschreibung von Festkörpern. Dadurch konnten Wissenschaftler:innen erstmals verstehen, wie und warum bestimmte Materialien elektrischen Strom leiten und wie sie diese Eigenschaften gezielt beeinflussen können. So konnten etwa Halbleiter wie Silizium zur Herstellung von Transistoren verwendet werden, was die Elektronik revolutionierte und moderne Computer möglich machte.
Um das komplexe Zusammenspiel von Elektronen und Atomkernen und deren Bewegungen in einem Festkörper mathematisch erfassen zu können, 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 Festkörpers ohne Verzögerung folgen. Diese Born-Oppenheimer-Näherung leistete über mehrere Jahrzehnte gute Dienste.
Näherung versagt in bestimmten Materialien
Nun aber haben Forschende der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg gezeigt, dass die Elektronen in bestimmten Materialien mit einer Verzögerung reagieren. Diese Verzögerung hängt zudem davon ab, wo die Elektronen lokalisiert sind und in welchem Energiezustand sie sich befinden.
Mithilfe von Experimenten mit Attosekunden-Auflösung 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 verzögert auf Bewegungen der Atomkerne reagieren. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden soeben im Fachjournal Science veröffentlicht. Die Resultate könnten künftig dabei helfen, neuartige opto-elektronische Bauteile zu entwickeln.
Interessanter Effekt in graphenähnlichen Materialien
Mit der Attosekunden-Spektroskopie untersuchen Forschende physikalische Vorgänge mit einer unvorstellbar kurzen zeitlichen Auflösung. 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 Verzögerung in der Bewegung von Elektronen.
MXene sind zweidimensionale Materialien, ähnlich 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 Wellenlänge der Pulse konnten die Elektronen im Material dazu angeregt werden, Ultraviolett-Photonen zu absorbieren und dadurch in höhere 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 Änderung 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 präzise bestimmen, mit welcher Verzögerung die Elektronen auf die plötzliche Anregung der Gitterschwingung reagierten.
«In der herkömmlichen Born-Oppenheimer-Näherung würde man ja gar keine Verzögerung erwarten», sagt Neb, «doch wir stellten fest, dass die Elektronen bis zu dreissig Femtosekunden hinter den Atomkernen hinterherhinkten – 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 räumliche Verteilung der Elektronen beeinflussen, was wiederum die elektromagnetischen Felder in der Umgebung der Atome im Gitter verändert. 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 – und dabei sogar abhängig vom Zustand, der Bindung und der Energie – war bisher nicht möglich. Erst unsere Attosekunden-Technologie hat diese Detailauflösung ermöglicht», erklärt Neb.
Praktische Anwendungen denkbar
Von den neuen Einblicken in das Zusammenspiel zwischen Elektronen und Gitterschwingungen erhoffen sich die Forschenden präzisere mathematische Modelle, die über die bisherigen Näherungen hinausgehen. Auch praktische Anwendungen sind denkbar. «Unsere Methode erlaubt eine Messung der Kopplungsstärke zwischen Elektronen und Gitterschwingungen. Damit können wir vorhersagen, unter welchen Bedingungen bestimmte Elektronen stärker oder schwächer an der Wärmeleitung beteiligt sind», fügt Neb hinzu.
Ein besseres Verständnis des Energie- und Ladungstransports eröffnet mehr Kontrolle über Materialien und damit neue Möglichkeiten für opto-elektronische Bauteile auf der Nanoskala. Gleichzeitig liefern die mikroskopischen Einblicke in die Wärmeleitung auf atomarer Ebene Ansatzpunkte für noch kleinere und effizientere elektronische Komponenten.
Prof. Dr. Lukas Gallmann, E-Mail: galukas@ethz.ch, https://attophys.ethz.ch/
Sergej Neb et al., Local fields reveal atomic-scale nonadiabatic carrier-phonon dynamics. Science 391,75-78 (2026). DOI:10.1126/science.aea1523
In bestimmten Materialien reagieren die Elektronen (hellgraue Wolke) mit Verzögerung auf Schwingunge ...
Quelle: Sergej Neb, KI-generiert
Copyright: Sergej Neb, ETH Zürich
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Elektrotechnik, Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
In bestimmten Materialien reagieren die Elektronen (hellgraue Wolke) mit Verzögerung auf Schwingunge ...
Quelle: Sergej Neb, KI-generiert
Copyright: Sergej Neb, ETH Zürich
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