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Getaktete Lichtpulse verstärken die Bewegung von Atomlagen im Quantenmaterial
Mehr Laserenergie bewirkt in bestimmten Quantenmaterialien nicht automatisch größere Atombewegungen. Im Wolframditellurid haben zwei geschickt getaktete Lichtpulse die Schwingung gegeneinander gleitender Atomlagen bei gleicher Gesamtenergie um bis zu 50 Prozent verstärkt. Das Experiment zeigt, wie sich eine Grenze der optischen Anregung überwinden lässt, ohne die aufgenommene Lichtenergie zu erhöhen.
Würzburg (Deutschland). Die Eigenschaften mancher Quantenmaterialien hängen davon ab, wie ihre Atome in übereinanderliegenden Kristalllagen zueinander angeordnet sind. Schon winzige Verschiebungen können dabei die elektrische Polarisation und andere elektronische Eigenschaften beeinflussen.
Ultrakurze Laserpulse können solche Verschiebungen auslösen, indem sie zunächst Elektronen anregen und dadurch die Kräfte auf das Kristallgitter verändern. Bei hoher Lichtintensität nimmt die atomare Bewegung jedoch nicht zwangsläufig weiter zu, obwohl zusätzliche Energie in das Material gelangt.
Forscher der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) um Dr. Jan Gerrit Horstmann haben diese Grenzen am Quantenmaterial Wolframditellurid (WTe₂) untersucht. In diesem Kristall können benachbarte Atomlagen gegeneinander gleiten, und ihre relative Lage beeinflusst die ferroelektrische Polarisation, also die elektrische Ausrichtung des Materials.
Das Team regte Kristallproben mit etwa 130 Femtosekunden langen Laserpulsen an und verfolgte die ausgelösten Schwingungen mit einer zeitaufgelösten optischen Messmethode. Ergänzende Berechnungen der Elektronenstruktur sollten klären, welche Kräfte die Bewegung bei unterschiedlich starker Anregung antreiben oder hemmen.
Zunächst vergrößerte ein stärkerer Einzelpuls die Auslenkung der Atomlagen. Bei einer absorbierten Energie von ungefähr 1,6 Millijoule pro Quadratzentimeter erreichte die Schwingung jedoch ihr Maximum und wurde bei noch stärkerer Bestrahlung wieder kleiner.
Eine mögliche Erklärung dafür liefern die Berechnungen der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atombewegung. Bei intensiver Anregung werden auch höher gelegene elektronische Zustände besetzt, deren Kräfte der Gleitbewegung entgegenwirken und den zusätzlichen Antrieb teilweise aufheben.
Um diese Begrenzung zu umgehen, verteilte das Team dieselbe Gesamtenergie auf zwei schwächere Lichtpulse. Sie trafen zeitlich versetzt auf den Kristall, sodass sich das elektronische System nach dem ersten Puls teilweise entspannen konnte, während die angestoßene Schwingung weiterlief.
Bei einem Abstand von 8,3 Pikosekunden, also gut acht Billionstel Sekunden, verstärkten sich die nacheinander ausgelösten Schwingungen besonders gut. Im Vergleich zu einer gleich starken Anregung mit einem einzigen Puls lag die gemessene Schwingungsamplitude bei gleicher absorbierter Gesamtenergie um bis zu 50 Prozent höher.
„Die zeitliche Abstimmung eröffnet eine zusätzliche Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atombewegung optimal auszunutzen“, erklärt Dr. Jan Gerrit Horstmann.