Forscher beobachten, wie die Energie eines einzelnen Elektrons durch umgebende Atome angepasst wird

Physiker der Universität Regensburg haben die Bewegung eines quantisierten elektronischen Energieniveaus mit atomaren Schwingungen schneller als eine Billionstelsekunde choreografiert.

Indem man einen Ball in die Luft wirft, kann man beliebige Energie auf den Ball übertragen, so dass er höher oder tiefer fliegt. Eine der Besonderheiten der Quantenphysik besteht darin, dass Teilchen, zum Beispiel Elektronen, oft nur quantisierte Energiewerte annehmen können, als würde der Ball wie die Stufen einer Leiter zwischen bestimmten Höhen springen, anstatt ständig zu stehlen.

Qubits und Quantencomputer sowie elektrolumineszierende Quantenpunkte (Nobelpreis 2023) machen sich dieses Prinzip zunutze. Allerdings können elektronische Energieniveaus durch Kollisionen mit anderen Elektronen oder Atomen verändert werden. Prozesse in der Quantenwelt finden meist auf atomarer Ebene statt und sind zudem unglaublich schnell.

Mit einem neuartigen Ultraschnellmikroskop ist es einem Team aus Regensburg gelungen, mit atomarer Auflösung auf ultraschnellen Zeitskalen direkt zu beobachten, wie sich die Energie eines einzelnen Elektrons durch die Schwingungen umgebender Atome verändert. Bemerkenswerterweise konnten sie diesen Prozess auch gezielt steuern. Solche Entdeckungen könnten für die Entwicklung ultraschneller Quantentechnologien von entscheidender Bedeutung sein.

Physiker verwendeten ein atomar dünnes Material, um zu untersuchen, wie sich ein diskretes Energieniveau ändert, wenn diese Atomschicht wie die Membran einer Trommel steigt und fällt. Sie beobachteten dies an einer Lücke – der Lücke, die entsteht, wenn ein einzelnes Atom entfernt wird.

Diese atomar dünnen zweidimensionalen Kristalle, die für ihre vielseitigen und anpassbaren elektronischen Eigenschaften bekannt sind, sind für die Nanoelektronik der Zukunft von besonderem Interesse. 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 konnten, indem sie eine trommelartige Vibration der atomar dünnen Membran auslösten: Die atomare Bewegung der umgebenden Atome bewegt sich und steuert so das Energieniveau der Lücke. Diese Ergebnisse wurden veröffentlicht in Natürliche Photonik.

Um zu dieser revolutionären Entdeckung zu gelangen, mussten die Forscher mehrere Hindernisse 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 die Entwicklung eines Energieniveaus zu verfolgen, ist es notwendig, Strobe-Schnappschüsse des Energieniveaus zu machen, wobei jeder Schnappschuss in weniger als einer Billionstelsekunde, also schneller als Pikosekunden, aufgezeichnet wird“, erklärt die Erstautorin Carmen Roelcke.

All diese Herausforderungen bewältigte das Team um Carmen Roelcke, Lukas Kastner und Yaroslav Gerasimenko mit einer aufwendigen Methode, die die Energie und räumliche Auflösung eines Rastertunnelmikroskops nutzt. Gleichzeitig ermöglicht der Einsatz maßgeschneiderter ultrakurzer Laserpulse die Aufnahme extrem schneller Dynamiken in Zeitlupe. Die gebündelte Expertise der Gruppen von Jascha Repp und Rupert Huber schuf eine entscheidende Synergie für die erforderliche ultraschnelle Spektroskopie auf atomarer Ebene.

„Dank unseres neuen Ansatzes sind wir in der Lage, die strukturelle Bewegung der atomaren Trommelmembran und die Änderung des lokalen Energieniveaus in Zeitlupe zu entschlüsseln“, erklärt Yaroslav Gerasimenko. Ab-initio-Rechnungen von Maximilian Graml und Jan Wilhelm erklären schlüssig, wie sich Atome in der atomar dünnen Schicht während der Schwingung bewegen und wie dies diskrete 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 Umwelt 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 gezielt die Eigenschaften von Halbleitern und lichtemittierenden Molekülen verändern.

Basierend auf einer beispiellosen Kombination extremer räumlicher, zeitlicher und energetischer Auflösungen ist ein tieferes Verständnis grundlegender Prozesse wie der lokalen Wechselwirkung von Elektronen mit Gitterschwingungen in greifbarer Nähe. Darüber hinaus könnte dieser Ansatz dazu beitragen, die Geheimnisse der Schlüsselprozesse hinter Phasenübergängen zu entschlüsseln, wie etwa der Hochtemperatursupraleitung, die noch verstanden werden müssen.