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Die Rolle von Materialdefekten für die Petahertzelektronik

Die Betriebsgeschwindigkeit von Halbleitern in elektronischen und optoelektronischen Geräten ist auf mehrere Gigahertz beschränkt. Forscher haben nun untersucht, wie Lichtwellen diese Grenze in Festkörperstrukturen mit Defekten verschieben könnten, um höhere Rechengeschwindigkeiten zu erreichen.

Im Gegensatz zu konventionellen Methoden der Elektronenanregung bringt das Licht die Elektronen nicht nur in Bewegung, sondern kontrolliert sie auch weiterhin auf ihren natürlichen Zeitskalen, der Attosekundenskala. Eine solche Steuerung könnte die Arbeitsgeschwindigkeit von Computern und anderen Geräten um mehrere Größenordnungen steigern und eröffnet zudem neue Ansätze in der Petahertzelek­tronik.

Wenn ein Festkörper intensivem, ultrakurzwelligem Licht ausgesetzt ist, gibt er Lichtblitze mit hoher Frequenz ab. Dieser Prozess ist als High Harmonic Generation (HHG) bekannt. Das elektrische Feld des Lasers induziert und kontrolliert dabei die Bewegungen der Elektronen. Der so erzeugte elektrische Strom hat zwei Beiträge: von den Elektronen, die vom Valenz- zum Leitungsband angeregt werden, und von der Bewegung der Elektronen in ihren respektiven Energiebändern.

In theoretischen und experimentellen Untersuchungen der HHG-Abläufe in Festkörpern wurde angenommen, dass die Festkörper frei von Defekten sind. In der Praxis sind Defekte in Festkörpern jedoch unvermeidbar – seien es Lücken, Zwischengitteratome oder Verunreinigungen.

Bisher war nicht klar, wie diese Defekte die HHG-Abläufe und die damit verbundene Elektronendynamik beeinflussen können. Mit dieser Frage beschäftigten sich Forscher vom Indian Institute of Technology (IIT) in Bombay und dem Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie MPSD.

Um dies zu beantworten, haben sie eine zweidimensionale Monoschicht aus hexagonalem Bornitrid (h-BN) einem starken Lichtblitz ausgesetzt. Sobald ein Stickstoff- oder ein Boratom fehlt, verhält sich Bornitrid als ein Elektronenspender oder -empfänger. Dies führt dazu, dass man verschiedene elektronische Strukturen findet und Fehlstellen spin-polarisiert werden. Im Speziellen fand das Forschungsteam, dass Elektronen mit entgegengesetztem Spin verschiedene Beiträge zur HHG-Emission leisten. Auch die Auswirkung auf die Elektron-Elektron-Wechselwirkung ist unterschiedlich, je nachdem ob ein Festkörper einen Defekt besitzt oder nicht.

Das Team untersucht auch Situationen, wo entweder ein Stickstoff- oder ein Boratom durch ein Kohlenstoffatom ersetzt wird (Dopingeffekt). Wenn das Kohlenstoffatom ein Boratom ersetzt, ähnelt die Elektronendynamik der des h-BN, dem ein Stickstoff­atom fehlt. Das Gegenteil geschieht, wenn das Kohlenstoffatom ein Stickstoffatom ersetzt: Dieses System zeigt die gleiche Dynamik wie das h-BN, dem ein Boratom entfernt wurde.

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