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Dienstag, den 21. Januar 2025 um 04:20 Uhr

Die Wellen eines Elektronensees beim Schwingen beobachten

Forschende der Universität Regensburg haben zusammen mit Kollegen aus Mailand und Pisa die Ausbreitung von Wellen in einer Miniaturwelt untersucht, indem sie das Phänomen der Wellenbildung auf einem "Elektronensee" im Graphen, einem zweidimensionalen Material aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatomen, nachahmten. Anstelle eines Steins verwendeten sie Laserimpulse, die auf eine scharfe metallische Spitze fokussiert wurden, um Elektronen in Schwingung zu versetzen. Diese Schwingungen erzeugen eine kreisförmige Elektronen-Dichte-Welle im Graphen, die sich unter der Spitze ausbreitet und an den Kanten reflektiert. Die Reflektion kann optisch vermessen werden, indem die Elektronenwelle wieder in Licht umgewandelt wird. Durch präzise Bewegung der Spitze können die Forschenden einen Film aufnehmen, der zeigt, wie die Welle zu verschiedenen Zeitpunkten an unterschiedlichen Orten schwingt.

Wellenbewegung hochpräzise analysiert

Die neue Technik ermöglicht es, die Ausbreitung von Elektronenwellen direkt in Raum und Zeit zu verfolgen, mit einer Auflösung im Nanometerbereich und einer Zeitauflösung im Femtosekundenbereich. Diese Methode funktioniert ähnlich wie eine ultraschnelle Zeitlupenkamera mit über 10 Billionen Bildern pro Sekunde. Dadurch können die Wellenbewegungen präzise analysiert werden, einschließlich ihrer Geschwindigkeit, Dämpfung und Frequenz, ohne komplexe rechnerische Transformationen. Die Forschenden beobachteten Unterschiede zwischen der Ausbreitung des Schwerpunkts der Welle und der Ausbreitung einzelner Wellenberge und Täler, was Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften zulässt.

Im Experiment wurden Graphen-Proben aus verschiedenen Herstellungsmethoden verglichen, wobei signifikante Unterschiede in der Wellenausbreitung festgestellt wurden, die auf unterschiedliche Probenqualitäten hinweisen. Dies könnte zur Entwicklung besserer Proben für optoelektronische Geräte beitragen. Besonders bemerkenswert ist, dass die Methode auch für stark gedämpfte Elektronenwellen im Terahertz- und mittleren Infrarotbereich anwendbar ist, einem bislang schwer zugänglichen Bereich zwischen 5G-Netz und sichtbarem Licht.

Ultraschnelle Kontrolle der Oberflächenwellen

Ein weiterer Laserimpuls wurde eingesetzt, um den Elektronensee in der Graphenprobe gezielt zu stören, während sich die Elektronenwelle ausbreitete. Dadurch konnten sie die Welle selektiv abschwächen und nicht nur beobachten, sondern auch aktiv Einfluss auf die Materialeigenschaften nehmen und diese ultraschnell verändern. Diese direkte Kontrolle von Elektronen-Dichte-Wellen könnte entscheidend für die Entwicklung neuer elektronischer Elemente sein, deren Taktraten über tausendmal schneller sein könnten als in der aktuellen Elektronik.


Den Artikel finden Sie unter:

https://www.uni-regensburg.de/newsroom/presse/mitteilungen/index.html?tx_news...

Quelle: Universität Regensburg (01/2025)


Publikation:
Simon Anglhuber, Martin Zizlsperger, Eva A. A. Pogna, Yaroslav A. Gerasimenko,
Anastasios D. Koulouklidis, Imke Gronwald, Svenja Nerreter, Leonardo Viti, Miriam S. Vitiello, Rupert Huber & Markus A. Huber, Spacetime Imaging of Group and Phase Velocities of Terahertz Surface Plasmon Polaritons in Graphene.
In: Nano Letters. DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04615
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c04615

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