Nicht-intuitive Verschiebung von Elektronen

22. März 2017, 10:50 Uhr
Ein Laserimpuls verursacht eine Quantenbewegung von Elektronen von der oberen in die untere Lage, ohne dass die mittlere Lage passiert wird. (Illustration: Frank Ceballos/University of Kansas).
Ein Laserimpuls verursacht eine Quantenbewegung von Elektronen von der oberen in die untere Lage, ohne dass die mittlere Lage passiert wird. (Illustration: Frank Ceballos/University of Kansas).
Unser „gesunder Menschenverstand“ besagt, dass, wenn sich ein Objekt von Punkt A nach Punkt B bewegt, auch alle Punkte zwischen A und B passieren muss. Solche intuitive Wahrheiten gelten aber nicht für Elektronen in der Quantenwelt. Elektronen können zum Beispiel im ersten Stock erscheinen, und dann auf der dritten Etage – ohne jemals einen Fuß in den zweiten Stock gesetzt zu haben (wenn man davon ausgeht, dass Elektronen Füße haben, natürlich).

Dieses nicht-intuitive Verhalten wurde von Professor Hui Zhao und seinen Mitarbeiter am Ultrafast Laser Lab der University of Kansas beobachtet. In einem Medium aus drei verschiedenen, extrem dünnen Schichten haben sich Elektronen von der oberen zur unteren Schicht bewegt, ohne auch nur eine winzigste Zeitspanne in der mittleren Schicht wahrgenommen werden zu können. Laut Zhao kann diese effiziente Form des Quantenelektronentransports eine Schlüsselrolle bei sogenannten „Van der Waals“-Materialien spielen, die in Solarzellen und der Elektronik im Allgemeinen verwendet werden können.

Das Testmedium wurde aus drei Halbleiterschichten (MoS2, WS2 und MoSe2) mit einer Stärke von weniger als 1 nm aufgebaut. Diese drei Lagen reagieren auf Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen (Farben).

Die Forscher haben mit einem Laserimpuls mit einer Dauer von 100 Femtosekunden einige Elektronen aus der oberen MoSe2-Schicht herausgeschlagen, so dass sie sich frei bewegen konnten. Mit einem Laserimpuls in der der unteren MoS2-Schicht entsprechenden Farbe (der aufgrund einer Weglängendifferenz von 0,3 mm einer Pikosekunde später eintrifft als der erste Impuls) konnte das Erscheinen der Elektronen in der unteren Schicht festgestellt werden. Es schien, dass die Elektronen durchschnittlich 1 ps benötigten, um sich von der oberen zur unteren Schicht zu bewegen.

Mit einem dritten Laserpuls wurde die Mittelschicht untersucht, doch es konnten keine Elektronen auf ihrem Weg von oben nach unten festgestellt werden. Anscheinend haben die Elektronen die mittlere Schicht „übergangen“ – ein Verhalten, das auch theoretische Physiker der Universität von Nebraska-Lincoln in Simulationen bestätigen konnten.
 
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