Physiker der Universität Regensburg haben die Verschiebung eines quantisierten elektronischen Energieniveaus mit atomaren Schwingungen schneller als einer Billionstelsekunde choreografiert.
Wenn man einen Ball in die Luft wirft, kann man beliebige Energie auf den Ball übertragen, so dass er höher oder tiefer fliegt. Eine der Kuriositäten der Quantenphysik besteht darin, dass Teilchen, z. B. Elektronen, oft nur quantisierte Energiewerte annehmen können – so als würde der Ball wie die Stufen einer Leiter zwischen bestimmten Höhen hin und her springen, anstatt kontinuierlich zu fliegen.
Qubits und Quantencomputer sowie lichtemittierende Quantenpunkte (Nobelpreis 2023) machen sich dieses Prinzip zunutze. Allerdings können elektronische Energieniveaus durch Kollisionen mit anderen Elektronen oder Atomen verschoben werden. Prozesse in der Quantenwelt finden meist auf atomarer Ebene statt und sind zudem unglaublich schnell.
Mit einem neuartigen Ultraschnellmikroskop ist es einem Regensburger Team nun gelungen, mit atomarer Auflösung auf ultraschnellen Zeitskalen direkt zu beobachten, wie die Energie eines einzelnen Elektrons durch die Schwingungen der umgebenden Atome abgestimmt wird. Bemerkenswerterweise konnten sie diesen Prozess auch gezielt steuern. Solche Entdeckungen könnten für die Entwicklung superschneller Quantentechnologien von entscheidender Bedeutung sein.
Die Physiker untersuchten anhand eines atomar dünnen Materials, wie sich ein diskretes Energieniveau ändert, wenn sich diese Atomschicht wie die Membran einer Trommel auf und ab bewegt. Sie beobachteten dies an einer Lücke – der Lücke, die zurückbleibt, wenn ein einzelnes Atom entfernt wird.
Solche atomar dünnen zweidimensionalen Kristalle, die für ihre vielseitigen, anpassbaren elektronischen Eigenschaften bekannt sind, sind besonders interessant für die zukünftige Nanoelektronik. Leerstellen in einem Kristall sind vielversprechende Kandidaten für Qubits, die elementaren Informationsträger von Quantencomputern, da sie genau wie Atome über diskrete elektronische Energieniveaus verfügen.
Die Forscher fanden heraus, dass sie ein diskretes Energieniveau des Defekts ändern können, indem sie eine trommelartige Vibration der atomar dünnen Membran auslösen: Die atomare Bewegung der umgebenden Atome verschiebt sich und steuert so das Energieniveau der Lücke. Diese Ergebnisse wurden veröffentlicht in Naturphotonik.
Um diese bahnbrechende Entdeckung zu machen, mussten die Forscher mehrere Hürden überwinden. Zur Beobachtung atomar lokalisierter Energieniveaus und ihrer Dynamik ist eine atomare Auflösung von 1 Ångström erforderlich. Darüber hinaus ist die Bewegung in der Nanowelt extrem schnell.
„Um zu verfolgen, wie sich ein Energieniveau verschiebt, ist es notwendig, stroboskopische Schnappschüsse des Energieniveaus zu machen, wobei jeder Schnappschuss in weniger als einer Billionstelsekunde, also schneller als Pikosekunden, aufgezeichnet wird“, erklärt Erstautorin Carmen Roelcke.
All diese Herausforderungen bewältigte das Team um Carmen Roelcke, Lukas Kastner und Yaroslav Gerasimenko in einer aufwendigen Methode, die die Energie und räumliche Auflösung eines Rastertunnelmikroskops nutzt. Gleichzeitig ermöglicht der Einsatz maßgeschneiderter ultrakurzer Laserpulse die Aufzeichnung der extrem schnellen Dynamik in Zeitlupe. Die gebündelte Expertise in den Gruppen von Jascha Repp und Rupert Huber schuf die entscheidende Synergie für die erforderliche ultraschnelle Spektroskopie im Atommaßstab.
„Mit unserem neuartigen Ansatz sind wir in der Lage, die strukturelle Bewegung der atomaren Trommelmembran und die Verschiebung des lokalen Energieniveaus in Zeitlupe zu entschlüsseln“, sagt Jaroslaw Gerasimenko. Ab-initio-Rechnungen von Maximilian Graml und Jan Wilhelm erklären schlüssig, wie sich die Atome in der atomar dünnen Schicht während der Schwingung bewegen und wie dies die diskreten Energieniveaus beeinflussen kann.
Die Arbeit des Regensburger Teams läutet eine neue Ära in der Erforschung der Dynamik atomar lokalisierter Energieniveaus und ihrer Wechselwirkung mit der Umgebung ein. Diese Entdeckung ermöglicht die lokale Steuerung diskreter Energieniveaus auf direkteste Weise. Beispielsweise könnte die Bewegung einzelner Atome die Energiestruktur eines Materials verändern und so neue Funktionalitäten schaffen oder die Eigenschaften lichtemittierender Halbleiter und Moleküle gezielt verändern.
Basierend auf der beispiellosen Kombination extremer Raum-, Zeit- und Energieauflösung ist ein tieferes Verständnis grundlegender Prozesse wie der lokalen Wechselwirkung von Elektronen mit Gitterschwingungen in greifbare Nähe gerückt. Darüber hinaus könnte dieser Ansatz dazu beitragen, die Geheimnisse wichtiger Prozesse hinter Phasenübergängen wie der Hochtemperatursupraleitung zu entschlüsseln, die noch nicht verstanden wurden.
Mehr Informationen:
Carmen Roelcke et al., Ultraschnelle Rastertunnelspektroskopie im atomaren Maßstab einer einzelnen Leerstelle in einem Monoschichtkristall. Naturphotonik. www.nature.com/articles/s41566-024-01390-6