Gefangene Elektronen leben länger
Wissenschaftler aus Frankreich, Deutschland, der Schweiz und dem Vereinigten Königreich haben neue Elektroneneigenschaften entdeckt, die bei Computern und Lasern auf nützliche Weise angewendet werden könnten. Die in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlichte Studie wurde teilweise im Rahmen des im Themenbereich "Forschungsinfrastrukturen" des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) geförderten IA-SFS-Projekts ("Integrating activity on synchrotron and free electron laser science") finanziert. Die Ende des 19. Jahrhunderts von britischen Wissenschaftlern als Partikel identifizierten Elektronen spielen bei Phänomenen wie der Elektrizität eine Schlüsselrolle. In der aktuellen Studie konnte das europäische Forscherteam zeigen, dass Elektronen interessante Eigenschaften haben, wenn sie in kleinen Strukturen eingegrenzt sind, die nur wenige Nanometer umfassen. So war das Team in der Lage, erstmals die genaue Lebensdauer eines angeregten Elektrons zu messen. Dieses neue Wissen könnte sich zum Beispiel besonders bei der Entwicklung von Halbleiterlasern und Anwendungen in der Quanten-Informationsverarbeitung als äußerst nützlich erweisen. Für beide Wissenschaftsbereiche wäre es höchst vorteilhaft, wenn man die Zeitdauer ab dem Punkt, zu dem ein Elektron in einen angeregten, hohen Energiezustand versetzt wird, bis zu dem Punkt, wenn das Elektron schließlich wieder in den Ursprungszustand zurückkehrt, verlängern könnte. Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Studie den Weg "zur Entwicklung von Quantenpunkt-Terahertzgeräten ebnet, da sie das grundlegende Wissen zu Ladungsträger-Relaxationszeiten für ein optimales Gerätedesign bereitstellt." Quantenpunkte (Halbleiter mit eingegrenzten, nicht mehr frei beweglichen Elektronen) wurden in den letzten zwei Jahrzehnten von Forschern auf Standard-Halbleitersubstraten wie etwa dem Material verwendet, das zur Herstellung von CD-Playern eingesetzt wird. Obwohl es bisher nicht möglich war, diese lange (als "Phonon-Flaschenhals" bezeichnete) Elektronenlebensdauer nachzuweisen, wurde durchaus richtig vorhergesagt, dass angeregte Elektronen in diesen Quantenpunkten eine extrem lange Lebenszeit hätten, da sie kaum Energie abgeben können. Bei diesem jüngsten Forschungsvorhaben erzeugten die Wissenschaftler Quantenpunkte, die es ermöglichten, ihre Theorie in einem breiten Parameterbereich einer strengen Überprüfung zu unterziehen. Sie separierten speziell die Energieniveaus in den Quantenpunkten und realisierten diese signifikant niedriger als die Energie der Hauptschwingungen im Kristallgitter (synchronisierte Bewegung einer Gruppe von Atomen in einem Kristall). Die Lebenszeiten wurden dann unter Nutzung eines sogenannten Freie-Elektronen-Lasers (FEL) - eines einmaligen Typs eines sehr kurz gepulsten Terahertz-Lasers - gemessen. So konnte das Team schließlich die längeren Lebenszeiten der angeregten Elektronen beobachten. Obwohl die Forscher darauf hinweisen, dass ihre Ergebnisse hinsichtlich des Ausgangspunkts zum ursprünglichen Phonon-Flaschenhals Unterschiede aufzeigen, sind sie dennoch der Meinung, dass ihre Ergebnisse zu interessanten Innovationen - speziell bei Terahertz-Geräten auf der Basis von Quantenpunkten - hinführen könnten. Der am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) beheimatete Freie-Elektronen-Laser wird im Rahmen des IA-SFS-Projekts gefördert.
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