Attosekunden-Ladungsträgerdynamik an nanoskaligen Grenzflächen

• Antragsteller: Dr. Jan Vogelsang
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462448709

Halbleiter bilden die Basis unseres heute erreichten Entwicklungsfortschritts. Durch sie wurde die rapide Verbesserung der digitalen Informationsverarbeitung ermöglicht, was sich im Prinzip jeder Forschungszweig zunutze macht: Sei es bei der Aufnahme von Messdaten, der Auswertung, der Modellierung oder der Bekanntmachung der gewonnenen Erkenntnisse. Aber auch die fortschreitende Vernetzung der Gesellschaft und Verfügbarkeit von Informationen verändert unser Verhalten ganz grundlegend, beispielsweise in der Verbreitung von Meinungen und der demokratischen Willensbildung. Vor allem die Möglichkeiten, die eine zunehmende Verfügbarkeit von Informationen und deren automatisierter Auswertung mit sich bringen, werden unsere Gesellschaft nachhaltig verändern. So explosionsartig, wie sich die Anwendungsmöglichkeiten von digitalen Technologien entfalten, so wachsen auch die Leistungsanforderungen an Datenverarbeitungssysteme. Bereits heute wird ein beträchtlicher Teil der weltweit umgewandelten elektrischen Energie darauf verwendet, Elektronen zur Informationsverarbeitung durch Halbleiter zu befördern. Eine fortschreitende Miniaturisierung der Halbleiterbauteile brachte deutliche Energieeinsparungen und Frequenzsteigerungen der Schaltzyklen mit sich. So sind heute Schaltfrequenzen im Bereich von 100 GHz möglich, was aber mehr als eine Größenordnung über den tatsächlich erreichten Schaltraten in heutigen Prozessoren liegt. Der Grund dafür ist, dass die Kapazität der Interconnects, die zur Ansteuerung der Transistoren benötigt werden, Aufladungszeiten nicht weit unter einer Nanosekunde erlaubt. Entsprechend naheliegend ist es durch die Verwendung neuer Technologien zunächst die Signalzuleitung zu optimieren, bevor die Transistoren selbst neu entworfen werden. In diesem Projekt soll die Grundlage für einen solchen technologischen Schritt beim Signaltransport in Halbleiternanostrukturen gelegt werden. Ziel ist es den mit starken optischen Feldern im PHz-Bereich getriebenen Strom in Halbleiternanostrukturen sicht- und kontrollierbar zu machen. Dazu wird in einen neuen Bereich der gleichzeitig hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung vorgestoßen: Kürzeste Lichtimpulse im Bereich von Attosekunden werden mit der Elektronenmikroskopie verbunden, um ultraschnelle Prozesse auf ihrer natürlichen Nanometer-kleinen räumlichen Skala zu verfolgen. Die kurzen Lichtblitze sorgen dafür, dass die Bewegungen der Ladungsträger eingefroren werden, sodass das Elektronenmikroskop mit seiner hohen Auflösung ein Bild vom aktuellen Zustand aufnehmen kann. Auf diese Weise wird ein verschmieren der Bewegung vermieden und es können fundamentale Erkenntnisse zum optischen getriebenen Elektronentransport auf der Nanoskala gewonnen werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Femtosekunden Lasersystem ; ToF-Photoemissions-Elektronenmikroskop
• Gerätegruppe: 5130 Sonstige spezielle Elektronenmikroskope ; 5700 Festkörper-Laser