MÜNCHEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Forschende der LMU haben ein physikalisches Phänomen direkt gemessen, das seit 1933 nur theoretisch bekannt war: die Polaronbildung. Diese Entdeckung könnte neue Einblicke in die Bewegung von Elektronen in Festkörpern bieten und die Entwicklung neuer Technologien vorantreiben.
Die Entdeckung der Polaronbildung in Halbleitern durch ein Team der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Festkörperphysik. Seit der theoretischen Beschreibung durch Lev Landau im Jahr 1933 und der formalen Ausarbeitung durch Herbert Fröhlich in den 1950er Jahren war das Phänomen nur hypothetisch bekannt. Nun ist es den Forschenden um Professor Jochen Feldmann gelungen, diesen Prozess experimentell zu bestätigen.
Ein Polaron entsteht, wenn ein Elektron durch einen polaren kristallinen Festkörper wandert und dabei die positiv geladenen Atomrümpfe anzieht. Dies führt zu einer Verzerrung des Kristallgitters, die sich gemeinsam mit dem Elektron als ein einziges Quasiteilchen durch das Material bewegt. Die LMU-Forschenden konnten diesen Prozess mithilfe einer ultraschnellen Bildgebungsmethode erstmals direkt beobachten und die theoretischen Vorhersagen bestätigen, dass das Elektron dabei Energie verliert und an Masse gewinnt.
Die experimentellen Messungen wurden in Zusammenarbeit mit der Nanyang Technological University in Singapur durchgeführt. Dabei nutzte der Doktorand Matthias Kestler eine neuartige Apparatur, die es ermöglicht, die Energie und die effektive Masse eines optisch angeregten Elektrons zeitaufgelöst zu bestimmen. Diese Methode kombiniert Ultrakurzzeit-Laserspektroskopie mit Photoelektronenmikroskopie und erlaubt es, die Dynamik der Elektronen auf der Skala von Femtosekunden zu verfolgen.
Die Ergebnisse der Studie zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen von Fröhlich. Während der Entstehungszeit des Polarons von 160 Femtosekunden verdoppelt sich die effektive Masse der Elektronen, begleitet von einem Energieabfall. Diese Erkenntnisse könnten nicht nur das Verständnis der Elektronenbewegung in Festkörpern verbessern, sondern auch neue Anwendungen in der Entwicklung von Halbleitermaterialien und Bauelementen ermöglichen.
Professor Feldmann sieht in den mechanischen Verzerrungen des Kristallgitters auch Potenzial für die Auslösung katalytischer Prozesse, die photochemische Reaktionen erleichtern könnten. Seine Arbeitsgruppe am LMU-Nanoinstitut arbeitet bereits an Nanostrukturen, die mit Hilfe von Licht Wassermoleküle spalten, um Wasserstoff zu erzeugen. Solche Reaktionen erfordern normalerweise hohe Aktivierungsenergien, die durch die Anregung mechanischer Bewegungen auf der Oberfläche reduziert werden könnten, was die Effizienz erheblich steigern würde.
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