idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Science Video Project
idw-Abo

idw-News App:

AppStore

Google Play Store



Instance:
Share on: 
04/12/2023 17:00

„Nature“-Publikation: Wie sich Elektronen mit Licht einkleiden

Johannes Scholten Stabsstelle Hochschulkommunikation
Philipps-Universität Marburg

    Licht – das Fünfte Element der Materialwissenschaften?

    Gemeinsame Pressemitteilung der Philipps-Universität Marburg und der Universität Regensburg

    Neue Materialeigenschaften, blitzschnell und nach Wunsch – diese Vision wird durch jüngste Erkenntnisse einer europaweiten Forschungsgruppe aus der Physik genährt. Das Team nutzt ultrakurze und starke Lichtfelder, um direkt zu beobachten, wie in einem Kristall exotische energetische Zustände entstehen, so genannte Floquet-Bänder. Die Wissenschaftler berichten im Forschungsmagazin „Nature“ über ihre Ergebnisse.

    „Die Entdeckung neuer Materialeigenschaften hängt üblicherweise von unserer Fähigkeit ab, die chemische Zusammensetzung des Materials zu kontrollieren“, sagt der Marburger Physiker Professor Dr. Ulrich Höfer, ein Leitautor des Fachaufsatzes, der seit 2022 auch Adjunct Professor an der Universität Regensburg ist. „Die rein optische Beeinflussung von Materialeigenschaften hingegen könnte die Physik in eine neue Ära führen, indem sie neue Funktionen nach Bedarf ermöglicht.“

    Regt man Elektronen periodisch mit starkem Licht an, so führt dies zu exotischen Quanteneffekten: Die periodischen Störungen durch das starke Lichtfeld bewirken, dass die Elektronen nicht nur einen feststehenden Energiezustand besitzen, sondern viele Energiezustände in gleichmäßigem Abstand. „Der ursprüngliche Energiezustand umgibt sich gewissermaßen mit mehreren Hüllen aus Licht“, erklärt der Regensburger Physiker Professor Dr. Rupert Huber, ein weiterer Leitautor. Fachleute sprechen hierbei von Floquetbändern. „Die dynamischen Eigenschaften solcher Zustände – also zum Beispiel die Frage, wie lange Elektronen brauchen, um sich mit Licht ‚einzukleiden‘ – blieben bislang jedoch unbekannt“, führt Huber aus.

    Die Sonderforschungsbereiche „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ sowie „Emergente relativistische Effekte in kondensierter Materie“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft an den Universitäten Marburg und Regensburg bieten beste Voraussetzungen, um derartige Forschungslücken zu schließen. Das Team nutzte die Methode der Photoelektronenspektroskopie, mit der es die Oberfläche eines Kristalls untersuchte.

    „Wir gingen mit unseren Messungen über die Grenze dessen hinaus, was sich bis dato mit dieser Spektroskopie an Zeitauflösung bei starken Lichtfeldern realisieren ließ“, hebt Dr. Suguru Ito hervor, der Erstautor der Fachpublikation. Dadurch gelang dem Team eine unvorhergesehene Entdeckung: „Überraschender Weise bilden sich die Floquetbänder schon nach einem einzigen optischen Zyklus aus, also in sehr kurzer Zeit“, legt der Physiker dar.

    „Die Gutachter konnten das zunächst kaum glauben!“, erzählt Höfer. Doch die eindeutigen experimentellen Resultate werden durch theoretische Modellierungen gestützt, die Dr. Michael Schüler vom Paul-Scherrer-Institut in Villigen in der Schweiz und Professor Dr. Michael Sentef vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg beisteuerten.

    „Unser Experiment eröffnet die Möglichkeit, eine Vielzahl von vorübergehenden Quantenzuständen sichtbar zu machen“, ergänzt Huber „Dies ebnet den Weg zu maßgeschneiderten Quantenfunktionen und zu ultraschneller Elektronik.“

    Ulrich Höfer lehrt Experimentalphysik an der Philipps-Universität Marburg. Rupert Huber hat eine Professur für Experimentelle und Angewandte Physik an der Universität Regensburg inne. Beide erhielten kürzlich gemeinsam einen ERC Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats für ihr Forschungsprojekt „Orbitalkino“ zugesprochen.

    Neben den Arbeitsgruppen aus Marburg und Regensburg beteiligten sich Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg, vom Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz, und vom A. V. Rzhanov-Institut in Novosibirsk, Russland an der Veröffentlichung. Die Kooperation mit dem russischen Kollegen fand noch vor dem Ukrainekrieg statt.Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte beteiligte Wissenschaftler durch Sonderforschungsbereiche in Marburg und Regensburg sowie durch das Emmy-Noether-Programm. Mehrere internationale Förderorganisationen gewährten weitere finanzielle Unterstützung.

    Originalveröffentlichung: Suguru Ito, Michael Schüler & al.: Buildup and dephasing of Floquet-Bloch bands on subcycle time scales, Nature 2023

    Weitere Informationen:
    Ansprechpartner:
    Professor Dr. Ulrich Höfer,
    Philipps-Universität Marburg
    Fachbereich Physik
    Arbeitsgruppe Oberflächendynamik
    Tel.: 06421 28-24215
    E-Mail: Hoefer@physik.uni-marburg.de
    Internet: http://www.of-marburg.de/of/

    Professor Dr. Rupert Huber,
    Universität Regensburg
    Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
    Arbeitsgruppe Ultraschnelle Quantenphysik und Photonik
    Tel.: 0941 943-2070
    E-Mail: rupert.huber@physik.uni-regensburg.de
    Internet: http://www.uni-regensburg.de/physics/huber/home/


    Images

    Der Marburger Physiker Dr. Suguru Ito führte an einer Ultrahochvakuum-Apparatur die Messungen durch, die den schnellen Aufbau exotischer Quantenzustände nachwiesen. Rechts im Bild sieht man den Elektronenanlysator.
    Der Marburger Physiker Dr. Suguru Ito führte an einer Ultrahochvakuum-Apparatur die Messungen durch, ...
    Foto: Dr. Jens Güdde
    Das Bild darf nur für die Berichterstattung über die zugehörige wissenschaftliche Veröffentlichung verwendet werden.

    Periodische Störungen durch ein starkes Lichtfeld bewirken, dass die Elektronen nicht nur einen feststehenden Energiezustand besitzen, sondern viele Energiezustände in gleichmäßigem Abstand.
    Periodische Störungen durch ein starkes Lichtfeld bewirken, dass die Elektronen nicht nur einen fest ...
    Brad Baxley, parttowhole.com
    Das Bild darf nur für die Berichterstattung über die zugehörige wissenschaftliche Veröffentlichung verwendet werden.


    Criteria of this press release:
    Journalists
    Materials sciences, Physics / astronomy
    transregional, national
    Research results, Scientific Publications
    German


     

    Der Marburger Physiker Dr. Suguru Ito führte an einer Ultrahochvakuum-Apparatur die Messungen durch, die den schnellen Aufbau exotischer Quantenzustände nachwiesen. Rechts im Bild sieht man den Elektronenanlysator.


    For download

    x

    Periodische Störungen durch ein starkes Lichtfeld bewirken, dass die Elektronen nicht nur einen feststehenden Energiezustand besitzen, sondern viele Energiezustände in gleichmäßigem Abstand.


    For download

    x

    Help

    Search / advanced search of the idw archives
    Combination of search terms

    You can combine search terms with and, or and/or not, e.g. Philo not logy.

    Brackets

    You can use brackets to separate combinations from each other, e.g. (Philo not logy) or (Psycho and logy).

    Phrases

    Coherent groups of words will be located as complete phrases if you put them into quotation marks, e.g. “Federal Republic of Germany”.

    Selection criteria

    You can also use the advanced search without entering search terms. It will then follow the criteria you have selected (e.g. country or subject area).

    If you have not selected any criteria in a given category, the entire category will be searched (e.g. all subject areas or all countries).