Ultraschnelle Elektronendynamik in Quantenmaterialien

Werden Materialien mit Ionen beschossen, wie bei der Herstellung von winzigen Strukturen auf Halbleitern, laufen dabei hochkomplexe Prozesse ab. Ein Forschungsteam der Technischen Universität (TU) Wien und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnte die extrem schnellen Abläufe jetzt zum ersten Mal rekonstruieren. Dafür kombinierten sie ausgeklügelte Messungen mit Computersimulationen. So zeigten sie auf einer Zeitskala von einer Femtosekunde – der Milliardste Teil einer Millionstel-Sekunde – was passiert, wenn ein Ion ultradünne Quantenmaterialien wie Graphen und Molybdändisulfid durchdringt. Dabei werden Elektronen vom Material abgegeben, die durch den Vergleich mit präzisen Computersimulationen Rückschlüsse auf den Ablauf der Prozesse ziehen lassen. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals Physical Review Letters publiziert.

Hochgeladene Ionen wirbeln Elektronen durcheinander

Die Forschungsgruppe von Professor Richard Wilhelm am Institut für Angewandte Physik der TU Wien arbeitet mit hochgeladenen Ionen. Xenon-Atomen, die im neutralen Zustand 54 Elektronen besitzen, werden zwischen 20 und 40 Elektronen entrissen. Die stark positiv geladenen Xenon-Ionen, die übrigbleiben, werden anschließend auf eine dünne Materialschicht geschossen.

„Besonders interessieren wir uns für die Wechselwirkung dieser Ionen mit dem Material Graphen, das nur aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht“, sagt Erstautorin Anna Niggas von der TU Wien. „Wir wussten nämlich schon aus unseren früheren Experimenten, dass Graphen ganz besonders interessante Eigenschaften hat: Der Elektronentransport ist extrem schnell. Bei solchen Prozessen wird meist auch eine große Anzahl von Elektronen emittiert, deren Anzahl und Energie wir genau vermessen konnten.“

Graphen gehört wie Molybdändisulfid zu den Quantenmaterialien, die auch in der Kieler Physik seit vielen Jahren intensiv untersucht werden. Sie zeichnen sich durch ungewöhnliche Eigenschaften aus, die auf quantenphysikalischen Effekten basieren. Da beide Materialien extrem dünn sind, ändern sich ihre Eigenschaften besonders drastisch, wenn ein hochgeladenes Ion durch sie hindurchdringt.

Femtosekundenschnelle Reise durch Quantenmaterialien

Computersimulationen sollen helfen, diese Experimente zu verstehen. Entwickelt wurden sie von Dr. Niclas Schlünzen, in Zusammenarbeit mit Dr. Karsten Balzer, in der Arbeitsgruppe von Professor Michael Bonitz am Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der CAU. Durch den Vergleich zwischen Experiment und Theorie konnte das Forschungsteam gemeinsam entschlüsseln, was während der nur wenige Femtosekunden dauernden Wechselwirkung des Ions mit Graphen und Molybdändisulfid passiert:

Durch seine positive Ladung erzeugt das Ion ein elektrisches Feld. Sobald es sich den dünnen Quantenmaterialien nähert, beeinflusst es die Elektronen im Inneren. Sie bewegen sich bereits kurz vor dem Aufprall des Ions in Richtung der zukünftigen Einschlagstelle. Irgendwann wird das elektrische Feld des Ions so stark, dass Elektronen aus dem Material herausgerissen und vom hochgeladenen Ion eingefangen werden. Schließlich dringt das Ion durch das Material und es kommt zu einer komplizierten Wechselwirkung: In extrem kurzer Zeit überträgt das Ion sehr viel Energie auf das Material, wodurch noch mehr Elektronen ins Vakuum abgegeben werden. Wo im Material Elektronen fehlen, bleibt positive Ladung zurück. Um das auszugleichen, rücken schnell Elektronen aus anderen Bereichen des Materials nach.

Computersimulation erklärt unterschiedliches Verhalten der Materialien

Die genaue Analyse dieser Elektronenbewegungen zeigt: In Graphen laufen diese Prozesse extrem schnell ab und es entstehen kurzfristig starke Elektronenströme auf atomarer Skala. In Molybdändisulfid dauern die Prozesse dagegen deutlich länger.

Eine Erklärung dafür liefern die Simulationen der Kieler Forscher: Sie zeigen, dass die Verteilung der Elektronen in den Materialien wiederum die Elektronen stark beeinflusst, die schon zuvor herausgerissen wurden. Die Energieverteilung dieser herausgelösten Elektronen ist bei beiden Materialien sehr unterschiedlich – das erlaubt wichtige Rückschlüsse auf ihre Eigenschaften und ablaufenden Prozesse im Inneren. Bonitz bilanziert: „Der Ionenbeschuss und die präzise experimentelle und theoretische Untersuchung der emittierten Elektronen stellen damit eine wichtige neue Diagnostik für moderne Quantenmaterialien dar, die eine ungewöhnlich hohe Orts-, Zeit- und Energieauflösung ermöglicht.“