Moderne snelle elektronica is gebaseerd op minuscule halfgeleiderstructuren, waarin elektronen onder invloed van elektrische velden accelereren tot steeds hogere snelheden. Op korte termijn zouden veldsterktes kunnen worden bereikt, die tot een nieuwe klasse van quantumverschijnselen kunnen leiden. Natuurkundigen van de universiteiten van Regensburg, Marburg en Paderborn hebben aangetoond, dat elektronen zich onder deze omstandigheden niet meer monotoon in één richting bewegen, maar extreem snelle oscillaties doorstaan en over een breed spectrum licht uitstralen.
85 jaar geleden beschreef Felix Bloch, een van de vaders van de moderne vaste stoffysica, de bewegingen van elektronen in een vaste stof met quantummechanische golven. Deze bewegingen zijn te vergelijken met de bewegingen van golven op het water. Als ze een hindernis raken, zoals een steen, dan worden ze verstrooid; op de wateroppervlakte vormt zich een patroon met kleine golven.
In een vaste stof zorgt het enorme aantal periodiek gerangschikte atomen voor een complex verstrooiingspatroon van de elektronen. In een sterk elektrisch veld zullen de elektronen niet, zoals verwacht, gelijkvormig in één richting bewegen, maar beginnen te oscilleren. Dit merkwaardige gedrag kon echter alleen in kunstmatige modelsystemen worden waargenomen, terwijl de natuurlijke golfbeweging van de elektronen door de wisselwerking onder elkaar (zoals met het atoomrooster van de natuurlijke stof) snel wordt vervaagd.
Experimenten
Een team wetenschappers van genoemde universiteiten heeft experiment voltooid om elektrische velden in de orde van grootte van 1010 V/m (tien miljard) met een nauwkeurigheid van biljardste seconden (10-15 s) op halfgeleiders aan te sluiten en de oscillatie van de elektronen waar te nemen, voordat ze doofden.
De onderzoekers gebruiken daarvoor een onlangs in bedrijf genomen terrahertzbron met hogere veldsterkte aan de universiteit van Regensburg. Deze kan met een recordintensiteit en nauwkeurig controleerbaar veldverloop ultrakorte lichtflitsen opwekken in het infrarode spectrum.
De truc is om het oscillerende elektrische veld van een dergelijke lichtflits te gebruiken als kortdurende voorspanning. Met een supersnelle slow motion camera konden de wetenschappers bovendien aantonen, dat de oscillerende elektronen elektromagnetische straling uitzenden van het magnetron tot ultraviolet gebied.
Voor de verklaring van deze meetdata ontwikkelden de onderzoekers een quantummechanisch model, dat de complexe processen in de halfgeleiders nabootst en de experimentele data met zekerheid identificeert als Bloch-oscillaties.
Record bandbreedte
De resultaten geven een spectaculair inzicht in een quantumwereld, die belangrijk zou kunnen zijn voor de toekomstige generatie halfgeleidercomponenten. Wat misschien nog belangrijker is: ze tonen aan dat elektrische stromen op tijdschalen van individuele lichtoscillaties kunnen worden gecontroleerd. De elektronica van de toekomst zou dus ook bij optische kloksnelheden functioneren.
De Bloch-oscillaties zenden niet alleen ultrakorte lichtflitsen uit in het infrarood spectrum met een record bandbreedte. Deze lichtbron zou een belangrijk onderzoeksinstrument kunnen worden voor de ultrakortetijdfysica.
