Der tech­no­lo­gi­sche Fortschritt unserer modernen In­for­ma­ti­ons­ge­sell­schaft basiert auf neuartigen Quan­ten­ma­te­ri­a­li­en. Wis­sen­schaft­lern aus Regensburg, Dort­mund, Marburg und Ann Arbor (USA) ist es kürzlich ge­lungen, mit ultrakurzen Lichtblitzen die genaue elek­tro­ni­sche Struktur solcher Quan­ten­ma­te­ri­a­li­en sehr schnell und mit einzigartiger Präzision zu be­stim­men. Die Er­geb­nisse der Arbeit sind jetzt in der renommierten Fach­zeitschrift Science veröffentlicht worden.

Die Entwicklung neuer Technologien wie ultrakompakter Elektronik, hocheffizienter Solarzellen oder Quan­ten­com­pu­tern ist eng mit der Entdeckung neuer Ma­te­ri­alien ver­knüpft. Dabei sind in den ver­gang­enen Jahren ins­be­son­de­re zweidimensionale Kristalle ins Blick­feld der For­schung gerückt. Von diesen Schicht­ma­te­ria­lien lassen sich einzelne Atomlagen abziehen und – wie in einem mikroskopischen Lego-Baukasten – zu neuen künst­lichen Strukturen stapeln, deren un­ge­wöhn­li­che Quan­ten­ei­gen­schaften maßge­schneidert wer­den können. Um Materialkombinationen mit An­wen­dungs­po­ten­zial herstellen zu können, wer­den allerdings tiefgehende Kennt­nisse ihrer elektronischen Ei­gen­schaf­ten benötigt.

Die ent­schei­den­de Rolle spielt dabei die Band­struk­tur der Elektronen. Die Band­struk­tur kann wie die DNA der Elektronen im Festkörper verstanden wer­den. So lässt sich aus ihren Ei­gen­schaf­ten schließen, ob ein neues De­si­g­ner­ma­te­ri­al elektrisch leitend ist oder nicht und ob es etwa für Solarzellen ver­wen­det wer­den kann. Die derzeit gängigen Analysemethoden zur Bestimmung der elektronischen Struktur können jedoch meist nur schwer auf diese atomar dünnen Schichten angewendet wer­den. Zum einen sind deren Dimensionen meist zu klein dafür, zum anderen erfordert die genaue Un­ter­su­chung oft äußerst komplexe ex­peri­men­telle Aufbauten.

Untersuchungen per Lichtblitz
In Ko­ope­ra­ti­on haben nun die Arbeitsgruppen von Prof. Christoph Lange von der TU Dort­mund und Prof. Rupert Huber von der Uni­ver­si­tät Regensburg mit den Gruppen von Prof. Stephan W. Koch von der Uni­ver­si­tät Marburg und Prof. Mackillo Kira von der University of Michigan, USA, eine Methode ent­wi­ckelt, mit der die elek­tro­ni­sche Struktur atomar dünner Ma­te­ri­alien einfach und sprichwörtlich blitzschnell bestimmt wer­den kann. Die Idee des Ex­pe­ri­ments ist, zu­nächst unbeweglich im Festkörper gebundene Elektronen mit­hil­fe eines ultrakurzen Lichtblitzes in das Leitungsband anzuregen. In diesem Teil der Band­struk­tur des Festkörpers können sich die Elektronen frei bewegen.

Ein zweiter, intensiver Lichtblitz beschleunigt sie dann über weite Bereiche des Leitungsbandes. Dabei folgt die Bewegung der Elektronen – wie bei der Abfahrt eines Skifahrers auf einer Buckelpiste – der Form des Leitungsbandes. Dies führt dazu, dass ein dritter, schwacher Lichtblitz erzeugt wird, der den Forschern Auf­schluss über die Bewegung der Elektronen im Kristall und damit über die zugrundeliegende Band­struk­tur liefert.

„Spektrale Fin­ger­ab­drücke“
Die Wis­sen­schaft­ler machen sich dabei die Welleneigenschaften von Elektronen zunutze, denn durch die lichtgesteuerte Bewegung können sich im Kristall stehende Elek­tro­nen­wel­len bilden. Diese stehenden Wellen besitzen ähnlich wie ein Kamm charakteristische Zinken und Lücken. Die Lokalisierung der Elektronen in den Zinken des Kamms ermöglicht es, die elek­tro­ni­sche Struktur mit einzigartiger Präzision zu be­stim­men. Dem Team um Prof. Kira und Prof. Koch ist es nun mittels einer maß­ge­schnei­derten Theorie erstmals ge­lungen, diese „spektralen Fin­ger­ab­drücke“ direkt mit der elektronischen Struktur des Materials in Ver­bin­dung zu bringen. „Diese neuartige Methode eröffnet uns die Möglichkeit, die Band­struk­tur neuer Quan­ten­ma­te­ri­a­li­en zu un­ter­su­chen und viel ziel­ge­rich­te­ter denn je nach neuartigen Quanteneffekten in maß­ge­schnei­derten Ma­te­ri­alien zu suchen“, er­klärt Christoph Schmid von der Uni­ver­si­tät Regensburg, einer der beiden Erstautoren der Publikation.

Originalpublikation: M. Borsch, C. P. Schmid, L. Weigl, S. Schlauderer, N. Hofmann, C. Lange, J. T. Steiner, S. W. Koch, R. Huber, M. Kira, „Super-resolution lightwave tomography of electronic bands in quantum materials“, Science (2020). DOI: 10.1126/science.abe2112