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Wie Wellen im Elektronensee entstehen

Ein ultrakurzer Femtosekunden-Lichtimpuls (gelber Blitz) trennt die Ladungsdichtewelle in Titandiselenid in zwei Komponenten. Während die exzitonische Ladungsdichtewelle (blaue Wolken) zerstört wird, bleibt die leichte Verzerrung des Kristallgitters (symbolisiert durch eine transparente Welle über den Kristallionen) bestehen.
Foto/Copyright: Universität Regensburg – Zur ausschließlichen Verwendung im Rahmen der Berichterstattung zu dieser Pressemitteilung

Ein Team von europäischen Forscherinnen und Forschern unter Beteiligung von Physikern der Universität Kiel hat das ultraschnelle Zusammenspiel von Elektronen und Kristallgitterstrukturen von Festkörpern untersucht. Sie konnten dabei ein vierzig Jahre altes Rätsel der Festkörperphysik lösen. Die Studie ist jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Materials“ erschienen“.

Ordnung ist das halbe Leben. Dies gilt besonders für Festkörper, in denen oft spontane Ordnungsphänomene auftreten. Eines der faszinierendsten ist die Supraleitung. Nahe am absoluten Temperaturnullpunkt verbinden sich hier Elektronen spontan zu Paaren, die elektrischen Strom verlustfrei transportieren können. Um diese einzigartige Eigenschaft für die Stromtrassen der Zukunft nutzen zu können, muss man aber die treibenden Kräfte dieses Quanteneffekts genau verstehen. Titandiselenid ist dabei ein besonders genau untersuchtes Modellsystem. Neben der Supraleitfähigkeit tritt hier ein eng verwandtes Ordnungsphänomen auf: eine Ladungsdichtewelle. Während die Elektronenpaare in Supraleitern einen See von widerstandslos verschiebbaren Teilchen bilden, ist die Ladungsdichtewelle wie eine riesige Welle im Elektronensee. Nach bisherigem Wissensstand konkurrieren die beiden Phänomene miteinander.

Ziel des europäischen Forschungsteams war es, zunächst zu verstehen, weshalb die Ladungsdichtewelle in Titandiselenid auftritt, um so dem Wechselspiel mit der Supraleitung auf die Spur zu kommen. Für das Experiment wurden in der Arbeitsgruppe von Dr. Kai Roßnagel und Prof. Dr. Lutz Kipp von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hoch reine Schichtkristalle mittels chemischen Gasphasentransports gezüchtet. Diese „Kieler Kristalle“ nahmen die Regensburger Wissenschaftler um Professor Dr. Rupert Huber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik und regten die Ladungsdichtewelle in einem wenige Atomlagen dünnen Film von Titandiselenid mit Hilfe eines ultrakurzen Lichtblitzes von einer Zeitdauer von nur wenigen Femtosekunden an. Eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer milliardstel Sekunde. Mit einem nachfolgenden Lichtimpuls im Terahertz-Spektralbereich konnten die Physiker dann eine Art superschnellen Zeitlupenfilm davon anfertigen, wie die Ladungsdichtewelle gestört wird und sich anschließend wieder neu aufbaut. Das Besondere war dabei, dass die Terahertz-Impulse erstmals sowohl die Wellenordnung der Elektronen als auch die damit verbundene leichte Verzerrung des Kristallgitters beobachten konnten.

Überraschenderweise reagieren die beiden Komponenten auf Bestrahlung mit einem Femtosekunden-Laserimpuls höchst unterschiedlich. Während die elektronische Ordnung durch den Laserimpuls vollkommen zerstört werden kann, zeigt sich die Verzerrung des Kristallgitters deutlich robuster gegen optisches Störfeuer. Die Femtosekunden-Zeitlupe zeigt erstmals eindeutig, dass die Wellen im Elektronensee von Titandiselenid durch ein kooperatives Zusammenspiel des Kristallgitters mit den Elektronen verursacht werden. Dieses Bild wird auch durch eine quantenmechanische Theorie gestützt.

Die Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universitäten Regensburg, Kiel, Ilmenau, Bielefeld und Heraklion konnte somit ein etwa vierzig Jahre altes Geheimnis der Festkörperphysik lüften. Auch die neue Methode, in superschnellen Zeitlupenfilmen gleich mehrere Ordnungen und deren Dynamik zu beobachten, dürfte entscheidend für ein besseres Verständnis der Supraleitung und vieler anderer überraschender Ordnungsphänomene in Festkörpern werden.

Mit einer komplementären Methode war es den Kieler Physikern Roßnagel und Bauer und ihren Teams bereits vor zwei Jahren gelungen, dem Material Titandiselenid interessante dynamische Eigenschaften zu entlocken. Die Ergebnisse der Femtosekunden-zeitaufgelösten Photoelektronen-Spektroskopie mit extremer Ultraviolettstrahlung inspirierten die aktuelle Studie.

Originalpublikation:

M. Porer, U. Leierseder, J.-M. Ménard, H. Dachraoui, L. Mouchliadis, I. E. Perakis, U. Heinzmann, J. Demsar, K. Rossnagel, and R. Huber, „Non-thermal separation of electronic and structural orders in a persisting charge density wave“, Nature Materials (2014)

Die Publikation im Internet unter:

http://dx.doi.org/10.1038/NMAT4042

Kontakt:

Prof. Dr. Rupert Huber

Universität Regensburg

Institut für Experimentelle und Angewandte Physik

Tel.: 0941 943-2070

E-Mail: Rupert.Huber@physik.uni-regensburg.de

Dr. Kai Roßnagel

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Institut für Experimentelle und Angewandte Physik

Tel.: 0431/880 3876

E-Mail: rossnagel@physik.uni-kiel.de

Dipl.-Phys. Michael Porer

Universität Regensburg

Institut für Experimentelle und Angewandte Physik

Tel.: 0941 943-2066

E-Mail: Michael.Porer@physik.uni-regensburg.de