Elektronen hinken dem Atomkern hinterher

Forschenden der ETH Zürich ist es erstmals gelungen, mit extrem hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung nachzuweisen, dass Elektronen in speziellen zweidimensionalen Materialien den Bewegungen der Atomkerne nicht unmittelbar, sondern mit einer Verzögerung folgen. Diese Entdeckung rüttelt an einem Fundament der modernen Festkörperphysik und könnte den Weg für die Entwicklung völlig neuartiger elektronischer Bauteile ebnen.

Die Grundlage für unser heutiges Verständnis von Festkörpern wurde bereits im 20. Jahrhundert durch die Quantenmechanik gelegt. Diese ermöglichte es Wissenschaftler:innen zu entschlüsseln, warum bestimmte Materialien Strom leiten und wie sich diese Eigenschaften manipulieren lassen. Ein prominentes Ergebnis dieser Forschung ist der Einsatz von Halbleitern wie Silizium für Transistoren – eine Innovation, die die moderne Elektronik und Computertechnologie erst möglich machte.

Um die hochkomplexen Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Atomkernen mathematisch überhaupt beschreibbar zu machen, waren jedoch Vereinfachungen nötig. Lange Zeit stützte sich die Physik dabei auf die sogenannte Born-Oppenheimer-Näherung. Diese geht davon aus, dass die leichten Elektronen den Bewegungen der deutlich schwereren Atomkerne im Kristallgitter verzögerungsfrei folgen. Während diese Annahme über Jahrzehnte hinweg wertvolle Dienste leistete, zeigt die neue Studie nun die Grenzen dieses Modells auf.

Näherung versagt in bestimmten Materialien

Die aktuellen Untersuchungen der ETH-Forschenden belegen nun jedoch, dass Elektronen in bestimmten Materialien keineswegs simultan, sondern mit einer messbaren Verzögerung reagieren. Ein zentrales Ergebnis dabei ist, dass diese Zeitspanne nicht einheitlich ausfällt, sondern davon beeinflusst wird, wo genau die Elektronen lokalisiert sind und in welchem Energiezustand sie sich befinden.

Mithilfe von Experimenten mit extrem hoher Attosekunden-Auflösung und flankierenden theoretischen Berechnungen konnten Ursula Keller und Lukas Gallmann diesen Effekt konkret nachweisen. In flachen Schichtmaterialien, den sogenannten MXenen, reagieren die Elektronen nach der Anregung einer Gitterschwingung merklich zeitversetzt auf die Bewegungen der Atomkerne. Diese Erkenntnisse könnten künftig eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuartiger opto-elektronischer Bauteile spielen.

Interessanter Effekt in graphenähnlichen Materialien

Um physikalische Vorgänge in einem Bereich von Trillionstelsekunden – also in der unvorstellbar kurzen Zeitspanne einer Attosekunde (10−18 Sekunden) – zu untersuchen, nutzen Wissenschaftler die Attosekunden-Spektroskopie. Auf diesem Gebiet haben Forschende der ETH Zürich um Ursula Keller in den letzten drei Jahrzehnten maßgebliche Pionierarbeit geleistet. Dennoch war der Fokus der Gruppe zunächst ein anderer, wie Sergej Neb, Erstautor der Studie und Postdoktorand, erklärt: „Mit Phononen, also Gitterschwingungen, hatten wir uns dabei bisher nur am Rande befasst, weil sie vergleichsweise langsam sind“. Doch gerade bei der Untersuchung dieser Phononen in sogenannten MXenen stießen er und seine Kolleg:innen auf die völlig unerwartete Verzögerung in der Elektronenbewegung.

Bei MXenen handelt es sich um zweidimensionale Materialien, die eine Ähnlichkeit mit Graphen aufweisen. Das von den ETH-Physikern untersuchte MXen wurde am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik hergestellt und besteht aus mehreren Schichten, in denen Titan-, Kohlenstoff- und Sauerstoffatome ein komplexes Gitter bilden.

Um die Gitterschwingungen im Inneren dieses Gitters sichtbar zu machen, wandten die Forschenden eine raffinierte Methode an: Zunächst regten sie die Phononen mit einem kurzen Infrarotpuls an. Anschließend bestrahlten sie das Material mit Attosekunden-Laserpulsen im extremen Ultraviolettbereich und analysierten, wie viel Licht die Probe passierte. Je nach Wellenlänge der Pulse absorbierten die Elektronen dabei Ultraviolett-Photonen und wechselten in höhere Energieniveaus. Durch den Vergleich dieser Daten mit einer Kontrollmessung ohne vorherige Gitterschwingung konnten die Forschenden schließlich präzise auf die zeitversetzten Bewegungen von Elektronen und Atomkernen schließen.

Elektronen hinken hinterher

Durch die präzise Steuerung des zeitlichen Abstands zwischen den beiden Laserpulsen – in einem Spektrum von wenigen Femtosekunden (10−15 Sekunden) bis hin zu Pikosekunden (10−12 Sekunden) – gelang es den Physiker:innen, die Reaktionszeit der Elektronen auf die Gitterschwingung exakt zu bestimmen. Die Ergebnisse stellten die bisherigen theoretischen Erwartungen massiv infrage. „In der herkömmlichen Born-Oppenheimer-Näherung würde man ja gar keine Verzögerung erwarten“, erklärt Neb, „doch wir stellten fest, dass die Elektronen bis zu dreissig Femtosekunden hinter den Atomkernen hinterherhinkten – in der Attosekunden-Welt ist das eine sehr lange Zeit.“

Um die Ursachen für dieses „Hinterherhinken“ zu entschlüsseln, glich das ETH-Team seine Daten mit mathematischen Modellen von Kolleg:innen aus Hamburg ab. Dabei zeigte sich, dass die Schwingungen der Atomkerne die räumliche Verteilung der Elektronen direkt beeinflussen, was wiederum die elektromagnetischen Felder um die Gitteratome verändert. Ein weiterer entscheidender Faktor waren die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Elektronen untereinander.

Besonders beeindruckend ist, dass die Forschenden aus den gewonnenen Daten sogar das spezifische Verhalten der Elektronen in der direkten Umgebung der verschiedenen Atome des MXens ableiten konnten. Damit erreichte die Studie eine völlig neue Informationstiefe, wie Neb betont: „Ein solcher Blick auf die Dynamik zwischen Elektronen und Phononen auf der Ebene einzelner Atome – und dabei sogar abhängig vom Zustand, der Bindung und der Energie – war bisher nicht möglich. Erst unsere Attosekunden-Technologie hat diese Detailauflösung ermöglicht.“

Praktische Anwendungen denkbar

Aus den neuen Erkenntnissen über das komplexe Zusammenspiel von Elektronen und Gitterschwingungen erhoffen sich die Forschenden die Entwicklung präziserer mathematischer Modelle, die weit über die bisherigen wissenschaftlichen Näherungen hinausgehen. Über den rein theoretischen Fortschritt hinaus rücken damit auch handfeste praktische Anwendungen in greifbare Nähe. „Unsere Methode erlaubt eine Messung der Kopplungsstärke zwischen Elektronen und Gitterschwingungen. Damit können wir vorhersagen, unter welchen Bedingungen bestimmte Elektronen stärker oder schwächer an der Wärmeleitung beteiligt sind“, fügt Neb hinzu.

Dieses tiefergehende Verständnis des Energie- und Ladungstransports ermöglicht eine präzisere Kontrolle über Materialeigenschaften, was wiederum den Weg für neuartige opto-elektronische Bauteile auf der Nanoskala ebnet. Gleichzeitig bieten die mikroskopischen Einblicke in die Wärmeleitung auf atomarer Ebene wertvolle Ansatzpunkte, um elektronische Komponenten künftig noch kleiner und effizienter zu gestalten.

Quelle

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) (01/2026)