Ekstreme forhold i halvledere

Forskere fra University of Konstanz og Paderborn University er lykkedes med at producere og demonstrere, hvad der er kendt som Wannier-Stark lokalisering for første gang. Derved, det lykkedes fysikerne at overvinde forhindringer, der hidtil var blevet betragtet som uoverstigelige inden for optoelektronik og fotonik. Wannier-Stark lokalisering forårsager ekstrem ubalance i det elektriske system af krystallinske faste stoffer. "Denne fundamentale effekt blev forudsagt for mere end 80 år siden. Men det har været uklart lige siden, om denne tilstand kan realiseres i en bulkkrystal, det er, på niveauet af kemiske bindinger mellem atomer, " siger professor Alfred Leitenstorfer, professor i eksperimentel fysik ved universitetet i Konstanz. Analoger af effekten er indtil videre kun blevet demonstreret i kunstige systemer som halvledersupergitter eller ultrakolde atomgasser. I et løst fast stof, Wannier-Stark lokalisering kan kun opretholdes i en ekstremt kort periode, kortere end en enkelt oscillation af infrarødt lys. Ved at bruge de ultrahurtige lasersystemer på universitetet i Konstanz, Wannier-Stark lokalisering er nu blevet demonstreret for første gang. Eksperimentet blev udført i en højrent galliumarsenidkrystal dyrket ved ETH Zürich under anvendelse af epitaksial vækst. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation den 23. juli 2018.

En krystal kan visualiseres som et tredimensionelt gitter sammensat af små perler, der frastøder hinanden og kun holdes sammen af ​​gummibånd. Systemet forbliver stabilt, så længe gummibåndet er lige så stærkt som afvisningen er. Hvis dette er tilfældet, perlerne bevæger sig hverken tættere på hinanden, de bevæger sig heller ikke væk fra hinanden - afstanden mellem dem forbliver nogenlunde den samme. Wannier-Stark lokalisering opstår, når gummibåndene fjernes brat. Det er den elektroniske tilstand, der sker på det præcise tidspunkt, hvor gummibåndene allerede er væk, men perlerne stadig forbliver på plads:De kemiske bindinger, der holder krystallen sammen, er blevet suspenderet.

Hvis denne tilstand opretholdes for længe, perlerne vil bryde fra hinanden, og krystallen opløses. For at analysere Wannier-Stark lokalisering, fysikerne måtte fjerne de stabiliserende strukturer, indfange systemet inden for en brøkdel af en lysoscillation ved hjælp af lysimpulser, og til sidst at stabilisere det igen for at forhindre atomerne i at bryde fra hinanden. Eksperimentet blev gjort muligt gennem det meget intense elektriske felt af en ultrakort infrarød lysimpuls, som kun er til stede i krystallen i nogle få femtosekunder. "Dette er, hvad vi specialiserer os i:at studere fænomener, der kun eksisterer på meget korte tidsskalaer, " forklarer Alfred Leitenstorfer.

"I perfekte isolatorer og halvledere, elektroniske tilstande udvider sig gennem hele krystallen. Ifølge en 80 år gammel forudsigelse, dette ændrer sig, så snart der påføres elektrisk spænding, " siger professor Torsten Meier fra Paderborn Universitet. "Hvis det elektriske felt inde i krystallen er stærkt nok, de elektroniske tilstande kan lokaliseres til nogle få atomer. Denne tilstand kaldes Wannier-Stark-stigen, " forklarer fysikeren.

"Et system, der afviger så ekstremt fra sin ligevægt, har helt nye egenskaber, " siger Alfred Leitenstorfer om, hvorfor denne tilstand er så interessant fra et videnskabeligt perspektiv. Den kortvarige Wannier-Stark lokalisering korrelerer med drastiske ændringer i den elektroniske struktur af krystallen og resultater, for eksempel, i ekstrem høj optisk ikke-linearitet. Forskerne antager også, at denne tilstand er kemisk særligt reaktiv.

Den første nogensinde eksperimentelle realisering af Wannier-Stark-lokalisering i en galliumarsenid-krystal blev muliggjort gennem meget intens Terahertz-stråling med feltintensiteter på mere end ti millioner volt per centimeter. Anvendelsen af ​​mere ultrakorte optiske lysimpulser resulterede i ændringer i krystallens optiske egenskaber, hvilket var medvirkende til at bevise denne tilstand. "Hvis vi bruger passende intense lysimpulser bestående af nogle få svingninger, der kun varer omkring ti femtosekunder, vi kan realisere Wannier-Stark lokaliseringen i en kort periode, " siger Alfred Leitenstorfer. "Vores aflæsninger matcher de teoretiske overvejelser og simuleringer, som er udført både af mit eget forskerhold og af min kollegas, Professor Wolf Gero Schmidt, " tilføjer Torsten Meier. Forskerne planlægger at studere den ekstreme tilstand af Wannier-Starks lokalisering på atomskala mere detaljeret i fremtiden og har til hensigt at gøre dens særlige karakteristika brugbare.