Hochfeld-Terahertz-Quelle
Final Report Abstract
Der Femtosekunden-Laserverstärker stellt das Herzstück einer neu entstandenen einzigartigen Hochfeld-Terahertz-Quelle dar. Die Laserimpulse des Verstärkers werden in mehreren experimentellen Aufbauten gleichzeitig verwendet, um mittels einer Vielzahl nichtlinear optischer Prozesse extrem kurze Lichtimpulse mit Rekordfeldstärken über den gesamten infraroten Spektralbereich hinweg zu erzeugen. Maßgeschneiderte Terahertz-Wellenformen mit atomar starken elektrischen und magnetischen Feldern von der Größenordnung E = 10 V/nm bzw. B = 33 T erlauben die direkte und selektive Kontrolle von Ladungen, Spins oder Quasiteilchen in Festkörpern auf Subzyklen-Zeitskalen – um Größenordnungen schneller als mit konventioneller Elektronik. Eine Reihe spektakulärer Experimente konnte auf diese Weise bereits neuartige Quantenphänomene zutage fördern, die für künftige elektronische Bauelemente mit Terahertz-Taktraten richtungsweisend sein dürften: Mithilfe ultrakurzer Terahertz-Transienten mit elektrischen Spitzenfeldern von mehr als 10 MV/cm bei einer Zentralfrequenz von nur 1 THz im Nahfeld maßgeschneiderter Metamaterialien konnten wir feldinduziertes Interbandtunneln durch die fundamentale Bandlücke von Galliumarsenid beobachten. Ponderomotive Potentiale im Bereich von Kiloelektronenvolt führen zu einer rapiden Beschleunigung der angeregten Elektronen und Ladungsträgermultiplikation durch Stoßionisation während nur eines Halbzyklus des angelegten Feldes, die sich in massiven Ladungsträgerdichten in der Größenordung von 1019 cm^-3 widerspiegeln. Werden freie Elektronen im Halbleiter noch schneller beschleunigt, kommt die Wellennatur der Teilchen auf spektakuläre Weise zum Tragen: Erreichen sie die Brillouinzonengrenze innerhalb typischer Streuzeiten, finden Bragg-Reflexionen der Elektronenwellen am periodischen Gitter des Kristalls statt, und die Elektronen beginnen zu oszillieren. Dieses theoretisch bereits vor über 80 Jahren postulierte Phänomen der sogenannten „Bloch-Oszillationen“ konnten wir nun erstmals im natürlichen Halbleiter Galliumselenid durch Anlegen einer extrem hohen Spannung (Größenordung: 1 V/nm) in Form einer kurzen Lichtwelle im mittelinfraroten Spektralbereich beobachten. Es stellte sich heraus, dass als Signatur dieser anharmonischen Elektronenbewegung phasenstabile Impulse hoher Harmonischer emittiert werden, die Rekordbandbreiten vom Mikrowellen- bis zum UV-Bereich aufweisen. Diese Ergebnisse erlauben nicht nur einen bisher unerreichbaren Einblick in die Quantenwelt der Festkörper, sondern eröffnen zudem neue Perspektiven für festkörperbasierte Quellen von Lichtimpulsen einer Dauer von weniger als einer Femtosekunde. In einem weiteren Experiment ist es uns jüngst gelungen, die Emission der hohen Harmonischen direkt zeitaufgelöst zu messen und die zugrundeliegende Dynamik der Elektronen erstmals zeitlich mit der eingestrahlten Lichtwelle zu korrelieren. Dabei wurde wiederum ein bisher unbekannter Quanteneffekt offenbar, der das Verständnis der Generation hoher Harmonischer (HHG) in Festkörpern nachhaltig voranbringt und deutliche Unterschiede zur atomaren HHG hervorhebt: Die stark nicht-resonant getriebene Interbandanregung von Elektronen durch die Multi-THz-Felder wird durch eine nicht-perturbative Hochfeld-Quanteninterferenz zwischen mehreren Bändern dominiert, in der mehrere, zunächst voll besetzte Valenzbänder involviert sind. Derartige fundamental neue Quantenphänomene werden in zukünftigen elektronischen Bauelementen mit hohen Taktraten und starken internen elektrischen Feldern Berücksichtigung finden müssen. Neben diesen Untersuchungen, in denen die Hochfeld-Terahertz-Quelle vorrangig zum Einsatz kam, konnte die neue Anlage wichtige flankierende Messungen zu Arbeiten leisten, die hauptsächlich an anderen Messplätzen der Arbeitsgruppe durchgeführt wurden. Hierzu zählen Untersuchungen von Bose-Einstein-Kondensaten von Exzitonpolaritonen sowie Exzitonen in Übergangsmetall-Dichalkogeniden. Die Ergebnisse wurden in hochrangigen Wissenschaftsjournalen veröffentlicht und stießen auch außerhalb des Fachpublikums auf breite Resonanz. So wurden unsere Arbeiten von Fachjournalen, populärwissenschaftlichen Magazinen und der Tagespresse vorgestellt. Die einschlägigen Veröffentlichungen führten zu einer Vielzahl an Einladungen zu renommierten, internationalen Konferenzen sowie zu Auszeichnungen wie dem Theodore Maiman Award 2014 und dem Kulturpreis Bayern 2015.
Publications
- Extremely nonperturbative nonlinearities in GaAs driven by atomically strong terahertz fields in gold metamaterials. Phys. Rev. Lett. 113, 227401 (2014)
C. Lange, T. Maag, M. Hohenleutner, S. Baierl, O. Schubert, E. Edwards, D. Bougeard, G. Woltersdorf, and R. Huber
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.227401) - Non-thermal separation of electronic and structural orders in a persisting charge density wave. Nature Materials 13, 857 (2014)
M. Porer, U. Leierseder, J.-M. Ménard, H. Dachraoui, L. Mouchliadis, I. E. Perakis, U. Heinzmann, J. Demsar, K. Rossnagel, and R. Huber
(See online at https://doi.org/10.1038/nmat4042) - Revealing the dark side of a bright exciton polariton condensate. Nature Comm. 5, 4648 (2014)
J.-M. Ménard, C. Poellmann, M. Porer, U. Leierseder, E. Galopin, A. Lemaître, A. Amo, J. Bloch and R. Huber
(See online at https://doi.org/10.1038/ncomms5648) - Sub-cycle control of terahertz high-harmonic generation by dynamical Bloch oscillations. Nature Photonics 8, 119 (2014)
O. Schubert, M. Hohenleutner, F. Langer, B. Urbanek, C. Lange, U. Huttner, D. Golde, T. Meier, M. Kira, S. W. Koch, and R. Huber
(See online at https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.349) - Ultraschnell geblitzt – Quantenphysik auf der Zeitskala einer Lichtschwingung. Blick in die Wissenschaft 30, 9 – 15 (2014)
O. Schubert und Rupert Huber
- Real-time observation of interfering crystal electrons in high-harmonic generation. Nature 523, 572 (2015)
M. Hohenleutner, F. Langer, O. Schubert, M. Knorr, U. Huttner, S. W. Koch, M. Kira, and R. Huber
(See online at https://doi.org/10.1038/nature14652) - Resonant internal quantum transitions and femtosecond radiative decay of excitons in monolayer WSe2. Nature Materials 14, 889-893 (2015)
C. Pöllmann, P. Steinleitner, U. Leierseder, P. Nagler, G. Plechinger, M. Porer, R. Bratschitsch, C. Schüller, T. Korn, and R. Huber
(See online at https://doi.org/10.1038/nmat4356)
