Wissenschaftler beobachten quantenmechanische Sprünge von Elektronen in Graphen
Einem Forschungsteam der Universitäten Regensburg und Marburg sowie des Forschungszentrums Jülich ist es gelungen, ein fundamentales Quantenphänomen direkt festzuhalten: Elektronen, die eigentlich verbotene Energiebereiche überspringen. Wie im Fachblatt Nature veröffentlicht wurde, vollziehen die Ladungsträger in Graphen unter starken elektrischen Lichtfeldern sogenannte Landau-Zener-Majorana-Transitionen. Einzelne Übergänge zwischen den Energiebändern erfolgten dabei mit einer bemerkenswerten Wahrscheinlichkeit von 100 Prozent.
In Halbleitern sind Elektronen gewöhnlich auf feste Energiebänder beschränkt; die Lücken dazwischen bleiben im Normalzustand unzugänglich. Um die sprunghaften Wechsel dennoch zu dokumentieren, nutzte die Gruppe um Erstautor Vincent Eggers, Rupert Huber und Ulrich Höfer ein Photoemissions-Impulsmikroskop gekoppelt mit extrem schnell oszillierenden Laserfeldern. Die Methode fungiert wie eine Zeitlupenkamera: Anstatt bloße Oberflächenstrukturen abzubilden, erfasst sie Energie und Bewegungsrichtung zahlreicher Teilchen simultan über die gesamte Energielandschaft hinweg in Echtzeit.
Möglich wurde die experimentelle Beobachtung durch hochreines, ein Atom dünnes und gezielt „verdrehtes“ Graphen aus Jülich. Laut Stefan Tautz stellte dieses atomar präzise Material sicher, dass keine Verunreinigungen die feine Quantendynamik überdecken. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern wichtige Grundlagen für das Verhalten von Ladungsträgern unter extremen Feldern und eröffnen neue Wege für künftige, lichtgesteuerte und ultraschnelle Elektronik.
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