Revolution in der Entwicklung von Teilchenbeschleuniger für Quasiteilchen

Ein Forscherteam der Universität Regensburg hat zusammen mit Kollegen aus Marburg und Santa Barbara (USA) einen neuen Beschleuniger für Teilchen in Festkörpern entwickelt. Dieses revolutionäre Verfahren wird in der neuen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature" vorgestellt.

 

Erklärung und Geschichte der Teilchenbeschleuniger

Bereits in jungen Jahren werfen Kinder unterschiedliche Dinge auf- und gegeneinander, um etwas über die Eigenschaften der Gegenstände zu lernen - Teilchenbeschleuniger nutzen genau diese Herangehensweise zur kontrollierten Untersuchung der kleinsten Bausteine der uns umgebenden Materie.

 

Exemplarischer Aufbau des Rutherfordschen Streuversuchs in englischer Sprache

 

Anfang des 20. Jahrhunderts beschoss der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford Goldfolien mit Alphateilchen. Aufgrund der Streueigenschaften der Alpha-Strahlung schoss er auf die Struktur des Streuzentrums. Dabei fand Rutherford heraus, dass sich die Masse eines Atoms auf einen kleinen Raum, den Atomkern, konzentriert.

Etwa 100 Jahre später kollidieren, im Rahmen des bislang größten Experiments der modernen Wissenschaft am Kernforschungszentrum CERN, hochenergetische Protonen miteinander - dies führte schließlich zur Entdeckung des sagenumwobenen Higgs-Teilchens. 

 

Angesichts der enormen Teilchenanzahl waren bislang Verfahren und Methoden zur Nutzung solcher Kollisionsexperimente für die Festkörperphysik unbekannt, obwohl die modernen Technologien wesentlich vom Verständnis der strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Festkörpern abhängen. Dennoch kann in einem Festkörper die komplexe Wechselwirkung von Billionen Teilchen auf einzelne Objekte reduziert werden, sogenannte Quasiteilchen.

Die gezielte Kollision solcher Quasiteilchen miteinander  ist nun dem Forscherteam - bestehend aus einem Team von Physikern um Prof. Dr. Rupert Huber der Universität Regensburg, Prof. Dr. Mackillo Kira der Philipps-Universität in Marburg und einigen Kollegen aus Santa Barbara - gelungen. Hierzu mussten die Forscher extrem schnell vorgehen, denn diese Quasiteilchen existieren nur für einen winzigen Augenblick, etwa 10 Femtosekunden lang (1 Femtosekunde = 1015s), ehe sie durch Stöße mit den umliegenden Elektronen unkontrolliert gestört werden und zerfallen.

 

Vorgehensweise Kollisionsexperiment

 

Mithilfe der Terahertz-Hochfeldquelle an der Universität Regensburg konnte das Problem des schnellen Zerfallls umgangen werden.

Zuerst werden mit Hilfe eines superkurzen Lichtblitzes von den Forschern Quasiteilchen-Paare - sog. Elektron-Lochpaare - im Halbleiter Wolframdiselenid erzeugt. Die gegensätzlich geladenen Quasiteilchen ziehen einander elektrostatisch an und bilden eine Exziton - ein atomähnlicher Komplex.

 

Mittels dem starken, schwingenden Lichtfeld aus der Terahertz-Hochfeldquelle werden die beiden Quasiteilchen zunächst voneinander getrennt, um anschließend wieder mit hoher Geschwindigkeit miteinander zu kollidieren. Der gesamte Beschleunigungsprozess läuft dabei schneller als eine einzige Lichtschwingung ab.

Durch die aus den Kollisionen erzeugten ultrakurzen Lichtblitze können Rückschlüsse auf die Struktur der Quasiteilchen getroffen werden. Unterstützt wurden diese Beobachtungen durch quantenmechanische Simulationen der Arbeitsgruppe an der Philipps-Universität Marburg.

© Fabian Langer
Ein Elektron (blau) und ein Loch (rot) prallen in einem Wolframdiselenid-Kristall (Gitter) zusammen. Die dabei frei werdende Energie entlädt sich in hochenergetischen Photonen (bunter Lichtstrahl)

Die Experimente und Berechnungen der Forscher aus Regensburg, Marburg und Santa Barbara belegen, dass grundlegende Beschleunigerkonzepte aus der Teilchenphysik ebenso für Verfahren in der Festkörperphysik genutzt werden können. Die Ergebnisse der Studie bieten neuartige Einblicke in die Eigenschaften von Quasiteilchen und könnten wesentlich zur Lösung einiger der größten Rätsel der modernen Physik, wie etwa den Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung, beitragen.

 

Titel der Original-Publikation:

F. Langer, M. Hohenleutner, C. P. Schmid, C. Poellmann, P. Nagler, T. Korn, C. Schüller, M. S. Sherwin, U. Huttner, J. T. Steiner, S. W. Koch, M. Kira and R. Huber, Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale, Natur 2016

 

 

 

PM UR / MB