Blitzschnell abgeschirmt

News: Blitzschnell abgeschirmt

Die Physik kennt unzählige Teilchen, und so passiert es selten, dass man eines allein antrifft. Positiv geladene Löcher scharen sich zum Beispiel aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft um Elektronen und umgekehrt. Wie schnell das geschieht, das konnten jetzt deutsche Forscher zum ersten Mal messen.

Thorsten Krome

Ein Teilchen kommt selten allein – schon gar nicht, wenn es auf Partner-Teilchen anziehend wirkt. Elektronen scharen beispielsweise schnell positive Ladungen aus der näheren Umgebung wie Verehrerinnen um sich. Dies bewirkt die Coulomb-Kraft, die zwischen gleich geladenen Teilchen abstoßend, zwischen gegensätzlich geladenen jedoch anziehend wirkt. Sie ist umso stärker, je näher sich zwei unterschiedlich geladene Teilchen kommen. Dabei schirmen die Verehrerinnen einen Teil der negativen Ladung eines Elektrons ab, sodass sein elektrisches Potenzial nach außen hin geringer ist – also auf andere positiv geladene Teilchen weniger attraktiv wirkt. Ein solches Teilchen samt seiner abschirmenden Hülle heißt Quasiteilchen.

Bislang sah es in Experimenten so aus, als würde diese Abschirmung von Ladungen augenblicklich erfolgen. Tatsächlich vergeht aber eine gewisse Zeit. Nur ist diese so kurz, dass man sie bisher nicht messen konnte. Nun ist es aber Physikern an der Technischen Universität München gelungen, diesen schnellen Vorgang zu beobachten. Dazu schickten Rupert Huber und seine Kollegen einen zehn Femtosekunden langen Laserpuls im optischen Wellenlängenbereich in eine Probe des Halbleiters Galliumarsenid. Der kurze Lichtblitz erzeugt dort ein Plasma aus frei beweglichen Elektronen und Löchern.

Mit einem zweiten Laserblitz, den die Forscher kurz danach auf die Probe richteten, ließ sich nun indirekt die Ladungsverteilung im Plasmas überprüfen. Denn die Wellenlänge lag dieses Mal im infraroten Bereich, weshalb der 27 Femtosekunden lange Puls den Kristall passieren konnte, ohne absorbiert zu werden. Dafür änderte sich jedoch die Amplitude und die Phase der transmittierten Welle in charakteristischer Weise und gab den Wissenschaftlern so Aufschluss über das Coulomb-Potenzial in dem Plasma.

Huber und seine Kollegen wiederholten den Prozess der Anregung und Messung mehrmals hintereinander, wobei sie die Zeit zwischen den beiden Laserpulsen etwas variierten. So fanden sie heraus, dass schon nach 70 Femtosekunden die Teilchen völlig abgeschirmt waren.

Derartige so genannte quantenkinetische Phänomene sind seit Jahren Gegenstand intensiver Diskussion in der theoretischen Physik, ließen sich nun aber zum ersten Mal auch im Versuch beobachten. "Unser Experiment mit einem Elektronen-Loch-Plasma ist ein Paradebeispiel für die Coulomb-Abschirmung, doch das Phänomen an sich ist viel allgemeiner", erklärt Alfred Leitenstorfer. So könnte es für zukünftige elektronische Halbleiter-Bauelemente durchaus bedeutsam werden, den Effekt zu berücksichtigen. Aber auch photochemische Vorgänge, nukleare Kollisionen, sowie Prozesse im Supraleiter ließen sich dank der neuen Erkenntnis vielleicht besser verstehen.