REGENSBURG / LONDON (IT BOLTWISE) – Physikerinnen und Physiker haben in Graphen eine ultraschnelle Abfolge von Quantenübergängen direkt „im Zeitlupenfilm“ sichtbar gemacht. Mit einem Photoemissions-Impulsmikroskop koppeln sie starke, extrem schnell schwingende Lichtfelder an Elektronenbewegungen und verfolgen den Wechsel zwischen Energiebändern. Die Messungen zeigen, dass Landau-Zener-Majorana-Übergänge im Material mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ablaufen können und eine Bandlücke dabei mit einer Tunnelwahrscheinlichkeit von bis zu einhundert Prozent überbrückt wird. Damit rückt ein neuer Messansatz in den Fokus, der auch künftige KI-gestützte Prozesssteuerung in der Elektronik vorbereiten kann.
Elektronen verhalten sich in Festkörpern nicht wie Fahrgäste in einem Aufzug, der eine definierte Strecke Stück für Stück durchläuft. Genau das macht die neue Beobachtung in Graphen so anschaulich: Unter dem Einfluss intensiver, kurzgetakteter elektrischer Felder beschleunigen die Teilchen nicht nur, sondern wechseln in einer Abfolge zwischen Energiebändern, ohne die „verbotsame“ Zone dazwischen im klassischen Sinn zu passieren. Die Forschenden vergleichen das Ergebnis sinnbildlich mit einer Stockwerksanzeige, die scheinbar von „1“ nach „20“ springt, obwohl die Stationen dazwischen nicht angefahren werden. In der Quantenwelt ist dieses Paradox nicht nur möglich, sondern lässt sich über gezielte Dynamik im Material erklären.
Den Kern der Experimente bilden Landau-Zener-Majorana-Übergänge, Vorgänge, die seit langem als relevante Mechanismen für Hochgeschwindigkeitselektronik in Halbleitern diskutiert werden. Der physikalische Hintergrund ist eng an die Struktur von Energiebändern gekoppelt: Elektronen dürfen in vielen Festkörpern nur bestimmte Energiebereiche besetzen, die durch eine Energielücke voneinander getrennt sind. Normalerweise bleiben Elektronen in ihrem jeweiligen Band „gefangen“. Bei Landau-Zener-Majorana-Übergängen wird die Situation jedoch dynamisch so getrieben, dass die Elektronen die Bandlücke scheinbar mühelos überbrücken und dabei nicht nur einfache Tunnelprozesse nach einem statischen Energieprofil zeigen, sondern eine zeitlich gesteuerte Quantenantwort auf den annähernden Bereich der Energielücke.
Um diese Substanz sichtbar zu machen, entwickelte das Team eine Kombination aus Lasertechnik und Elektronenmikroskopie, die auf einem sogenannten Photoemissions-Impulsmikroskop basiert. Ein herkömmliches Elektronenmikroskop erzeugt vergrößerte Bilder eines Objekts; hier steht stattdessen eine Abbildung der Zustände im Vordergrund. Das Gerät erfasst die Energien und Bewegungszustände vieler Elektronen gleichzeitig und stellt daraus eine Art Landkarte ihrer Verteilung zusammen. Entscheidender Punkt ist die Kopplung an starke Lichtfelder, die so schnell schwingen, dass sie die Elektronen gezielt in Bewegung versetzen – und zwar im Takt der Lichtanregung. Damit wird aus einer „Schnappschussmessung“ eine zeitaufgelöste Verfolgung entlang der gesamten Energielandschaft des Materials.
Technisch war die Herausforderung laut dem Team nicht nur das Messen einzelner Signale, sondern das Zusammenbringen von Elektronenspektroskopie mit Lichtfeldern, die extrem kurze Zeitskalen adressieren. Diese Kopplung erlaubt es, die ultraschnelle Dynamik von Übergängen während der Bewegung der Elektronen zwischen Energiebändern zu verfolgen. Dafür nutzten die Forschenden maßeingesetzte, atomar dünne Kohlenstoffschichten höchster Reinheit, die am Forschungszentrum Jülich hergestellt wurden. Zusätzlich spielte die Probengeometrie eine Rolle: Verwendet wurde ein „gedrehtes“ Graphen, eine Jülicher Spezialität, bei der die Quantendynamik besonders klar hervortreten kann. Gerade solche Proben entscheiden darüber, ob die quantenmechanische Dynamik nicht durch strukturelle Unschärfen verwischt wird.
Das sichtbar Überraschende an den Messungen betrifft die Überwindung der Bandlücke: Unter dem Einfluss der starken Lichtfelder gelang es den Forschenden, eine Tunnelwahrscheinlichkeit von bis zu einhundert Prozent für den Übergang zu bestimmen. Gleichzeitig weist die Arbeit auf einen grundlegenden Unterschied zu gewöhnlichem quantenmechanischen Tunneln durch eine räumliche Energiebarriere hin: Bei den dynamischen Übergängen hängt das Geschehen entscheidend davon ab, wie schnell die Elektronen der Bandlücke zeitlich angenähert werden. Anders formuliert: Nicht allein die statische Barriere im Raum bestimmt das Ergebnis, sondern die zeitliche Ansteuerung des Systems. Damit wird deutlich, warum Landau-Zener-Majorana-Übergänge als Baustein für schnelle elektronische Vorgänge in Materialien mit klaren Bandstrukturen besonders interessant bleiben.
Mit der neuen Methodik lässt sich nicht nur ein fundamentales Quantenphänomen untersuchen. Das Experiment gibt auch Aufschluss darüber, wie Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter die zunächst geordnete Bewegung der Elektronen stören. Solche Effekte sind für Anwendungen zentral, denn sie definieren, wie gut sich Elektronen tatsächlich durch Lichtfelder kontrollieren lassen – oder wo die Kontrolle durch dissipative Prozesse und Kopplungen an das Material limitert wird. Genau in diese Richtung zielt der Ausblick der Forschenden: Elektronen sollen nicht länger ausschließlich über Spannungen gesteuert werden, sondern unmittelbar über die extrem schnellen Schwingungen von Licht. Für Entwickler in der Elektronik bedeutet das mittelfristig mehr als eine neue Messmethode: Es verschiebt den Platz von Modellierung und Regelung in Richtung zeitabhängiger Anregung und nicht nur stationärer Zustände.
Dass das „Panoramafenster“ in die Quantenwelt nun in Echtzeit und über die Energielandschaft hinweg geöffnet wird, könnte zudem den Weg für breit übertragbare Untersuchungen in weiteren Quantenmaterialien ebnen. Die Studie wurde in einer international renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht; die wissenschaftliche Referenz lautet DOI: 10.1038/s41586-026-11214-y. Für die Praxis heißt das: Wenn Elektronenspektroskopie mit Subcycle-Zeitauflösung und Photoemission-Impulsmikroskopie so zuverlässig kombiniert werden kann, werden sich auch andere Materialklassen daraufhin prüfen lassen, wie robust ihre Bandübergänge unter Lichtanregung sind. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass künftige Geräte nicht nur schneller schalten, sondern Quantenprozesse gezielt „ansprechen“, statt sie nur indirekt zu beobachten.
🔥 Heutige Hot Deals bei Amazon: Bis zu 80% Rabatte!
🎉 Amazon Haul-Store für absolute Schnäppchenjäger!
- ★ 23-stufiges KI-Go-Training – Für Spieler mit Grundkenntnissen der Regeln – Entwickelt als intelligenter Trainingspartner passt sich die KI Spielern von 18K bis 9D an. Ideal für alle, die die Grundregeln bereits beherrschen und ihr Spiel verbessern möchten.
- IHR EMOTIONALER AI-BEGLEITER: Eiliko ist mehr als nur ein Anhänger, es ist ein charismatischer KI-Freund. Mit einem dynamischen LED-Bildschirm, der eine Vielzahl von animierten Gesichtern und Ausdrucksformen anzeigt, reagiert er auf Ihre Interaktionen mit einzigartiger Persönlichkeit und Charme.
- 【MEHR LEBEN FÜR DEINEN SCHREIBTISCH】 Lerne Eilik kennen – deinen kleinen Roboter-Freund mit Persönlichkeit. Mit liebevollen Animationen, ausdrucksstarken Reaktionen und spielerischen Interaktionen bringt Eilik mehr Freude in deinen Alltag. Ob auf dem Schreibtisch, im Büro oder am Nachttisch – Eilik wird schnell zu einem vertrauten Begleiter für besondere Momente.
- 【XL-Größe für gedeihende Pflanzen】Geben Sie Ihren Pflanzen den Raum, den sie verdienen! Unser verbessertes, großes 13,7 cm großes Design bietet Platz für Pflanzen mit einem Durchmesser von bis zu 8,9 cm und damit deutlich mehr Platz für Wurzelwachstum und Pflanzengesundheit im Vergleich zu kleineren, veralteten Modellen. Die Produktabmessungen betragen 13,6 x 13,6 x 13,2 cm und das Gerät wiegt nur 355 g.
- V28 Update - JETZT MIT NEUEN FUNKTIONEN! Als Reaktion auf das Ladeproblem von Loona haben wir das automatische Aufladen 2.0 verbessert. Diese Optimierung hilft Loona, die Ladewege in verschiedenen Szenarien zu erkennen und anzupassen, um die Erfolgsquote beim automatischen Aufladen zu erhöhen. Mobile Hotspots können sich mit Loona verbinden und überwinden WLAN-Einschränkungen, sodass Sie jederzeit und überall mit Loona interagieren können.
- Die besten Bücher rund um KI & Robotik!
- Die besten KI-News kostenlos per eMail erhalten!
- Zur Startseite von IT BOLTWISE® für aktuelle KI-News!
- IT BOLTWISE® kostenlos auf Patreon unterstützen!
- Aktuelle KI-Jobs auf StepStone finden und bewerben!
- Künstliche Intelligenz: Dem Menschen überlegen – wie KI uns rettet und bedroht | Der Neurowissenschaftler, Psychiater und SPIEGEL-Bestsellerautor von »Digitale Demenz«
Du hast einen wertvollen Beitrag oder Kommentar zum Artikel "Quantenaufzug in Graphen: Elektronen wechseln Bandlücken per Lichtimpuls" für unsere Leser?
#Sophos
#AmazonPrime
#Bestseller
Es werden alle Kommentare moderiert!
Für eine offene Diskussion behalten wir uns vor, jeden Kommentar zu löschen, der nicht direkt auf das Thema abzielt oder nur den Zweck hat, Leser oder Autoren herabzuwürdigen.
Wir möchten, dass respektvoll miteinander kommuniziert wird, so als ob die Diskussion mit real anwesenden Personen geführt wird. Dies machen wir für den Großteil unserer Leser, der sachlich und konstruktiv über ein Thema sprechen möchte.
Du willst nichts verpassen?
Du möchtest über ähnliche News und Beiträge wie "Quantenaufzug in Graphen: Elektronen wechseln Bandlücken per Lichtimpuls" informiert werden? Neben der E-Mail-Benachrichtigung habt ihr auch die Möglichkeit, den Feed dieses Beitrags zu abonnieren. Wer natürlich alles lesen möchte, der sollte den RSS-Hauptfeed oder IT BOLTWISE® bei Google News wie auch bei Bing News abonnieren.
Nutze die Google-Suchmaschine für eine weitere Themenrecherche: »Quantenaufzug in Graphen: Elektronen wechseln Bandlücken per Lichtimpuls« bei Google Deutschland suchen, bei Bing oder Google News!