Ein Meilenstein in der Petahertz-Elektronik

Galliumarsenid ist ein technologisch bedeutender Halbleiter mit einer relativ kleinen Bandlücke, in dem durch die Anregung von Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband Ladungsträger erzeugt werden, die dann elektrischen Strom durch elektronische Bauelemente transportieren können. Zusätzlich zu diesem sogenannten Inter-Band-Übergang können Ladungsträger auch innerhalb der einzelnen Bänder beschleunigt werden, wenn die Elektronen mit Laserlicht wechselwirken. Dies ist aufgrund des starken elektrischen Felds des Laserpulses, welches die Elektronen zu einer Intra-Band-Bewegung zwingt. Welcher der beiden Mechanismen die Antwort der Elektronen auf einen kurzen intensiven Laserpuls dominiert und wie sich ihr Zusammenspiel auf die Ladungsträgerinjektion in das Leitungsband auswirkt, ist keineswegs offensichtlich.

Fabian Schläpfer und seine Kollegen in der Gruppe von Ursula Keller am Institut für Quantenelektronik haben diese Prozesse nun erstmals auf der Attosekunden-Zeitskala untersucht. Dafür haben sie transiente Absorptionsspektroskopie mit modernsten theoretischen Methoden kombiniert. Wie sie in einer heute in der Fachzeitschrift Nature Physics erschienenen Arbeit berichten, fanden sie, dass Intra-Band-Bewegungen tatsächlich eine wichtige Rolle spielen — sie erhöhen signifikant die Anzahl der Elektronen, die in das Leitungsband angeregt werden. Diese Erkenntnis war unerwartet, da die Intra-Band-Bewegung alleine keine Ladungsträger im Leitungsband erzeugen kann. Diese Ergebnisse stellen damit einen wichtigen Schritt zum Verständnis der lichtinduzierten Elektronendynamik in einem Halbleiter auf der Attosekunden-Zeitskala dar. Diese werden von praktischer Bedeutung für zukünftige elektronische und optoelektronische Bauelemente sein, deren Abmessungen immer kleiner werden und gelichzeitig die elektrischen Felder immer stärker und die dynamischen Prozesse wird immer schneller.