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Mikroskop kann Bewegung einzelner Quantenteilchen beobachten
In dünnen Halbleiterschichten bewegen sich Elektronen und andere Energieträger durch das Material. Ihre Signale überlagern sich jedoch häufig, sodass der Einfluss einzelner Teilchen kaum von gemeinsamen Quanteneffekten zu unterscheiden ist. Eine erweiterte optische Mikroskopie trennt diese Beiträge nun und macht dadurch auch Wechselwirkungen zwischen angeregten Teilchen und einen lichtinduzierten Phasenübergang messbar.
New York (U.S.A.). Wie schnell sich Energie durch einen Halbleiter bewegt, hängt nicht allein von einzelnen Elektronen ab. Auch Wechselwirkungen zwischen den Ladungsträgern und sogenannte Exzitonen, gebundene Zustände aus einem Elektron und einer positiven Fehlstelle, prägen das Verhalten des Materials. Viele dieser Vorgänge lassen sich mit herkömmlichen elektrischen Messungen nicht räumlich verfolgen.
Optische Verfahren können die Ausbreitung solcher Anregungen mithilfe kurzer Lichtpulse zeitlich und räumlich sichtbar machen. Bisher überlagerten sich dabei jedoch meist Beiträge vieler gleichzeitig angeregter Teilchen. Bei geringer Teilchendichte wiederum waren die Signale oft zu schwach, um ihren Transport zuverlässig aus dem Messrauschen herauszulösen.
Forscher der Columbia University um Prof. Milan Delor haben das Mikroskopieverfahren stroboSCAT deshalb um eine neue Auswertung erweitert. Das Instrument verfolgt mit zeitlich gestaffelten Lichtpulsen, wie sich Energie und Ladungsträger in Materialien ausbreiten. Die ergänzte Methode nutzt dazu Messungen bei mehreren Anregungsstärken.
Für die Untersuchung einzelner Teilchen muss die Zahl der angeregten Ladungsträger niedrig sein. Dann geraten ihre Signale aber leicht unter die Nachweisgrenze. Gerade dieser Widerspruch hatte die Einzelteilchenanalyse mit dem Verfahren bislang erschwert.
„Das war immer der Haken“, erklärt Prof. Milan Delor.
Bei dem neuen Ansatz werden die Signale verschiedener Lichtintensitäten rechnerisch miteinander kombiniert. Dadurch lassen sich Beiträge, die auf einzelne Teilchen zurückgehen, von Signalen aus Wechselwirkungen zweier oder mehrerer Teilchen unterscheiden. Die räumliche und zeitliche Information der Mikroskopie bleibt dabei erhalten.
In den Versuchen gelang es, den Einzelteilchenanteil des Elektronentransports in einem zweidimensionalen Halbleiter mit deutlich verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis herauszuarbeiten. Ein solcher Halbleiter besteht aus extrem dünnen Materialschichten, in denen sich die beweglichen Ladungsträger auf engem Raum beeinflussen können. Die getrennte Messung hilft, die eigentliche Ausbreitung von Effekten hoher Teilchendichte zu unterscheiden.
„Das ist für mich ein Durchbruch“, erklärt Prof. Milan Delor.
Die Aufnahmen sind dabei nicht mit einem Film zu verwechseln, in dem ein isoliertes Elektron Punkt für Punkt verfolgt wird. Vielmehr rekonstruiert das Verfahren aus mehreren optischen Messungen den räumlich und zeitlich aufgelösten Beitrag einzelner Ladungsträger. Gerade diese Trennung macht Vergleiche mit kollektiven Vorgängen möglich.