Eine wichtige Vision solcher Untersuchungen im Attosekundenbereich besteht darin, die elektronische Dynamik direkt durch das schnell oszillierende elektrische Feld des Lichts zu steuern. Dieser Bereich der sogenannten Lichtwellenelektronik hat das Potenzial, optoelektronische Bauelemente enorm zu beschleunigen, was zahlreiche Anwendungen erheblich verbessern, wenn nicht gar revolutionieren würde.
Erzeugung von hohen Harmonischen in Halbleitern durch nichtadiabatisches Tunneln
Das Tunneln durch Regionen mit hohem Potenzial, die im Rahmen der klassischen Physik nicht zugänglich sind, ist eines der grundlegendsten Quantenphänomene. Dieser Prozess ist auch von großer Bedeutung, wenn Materie durch intensive elektromagnetische Felder angeregt wird und hohe Harmonische erzeugt werden. Obwohl es sich beim Tunneln um einen quantenmechanischen Prozess handelt, wurden bisher typischerweise vereinfachte, sogenannte semiklassische Methoden zur Bestimmung elektronischer Trajektorien in Halbleitern verwendet. Solche Ansätze beruhen jedoch auf Annahmen, die im Bereich der extremen Licht-Materie-Wechselwirkungen nicht erfüllt sind.
„Unsere neuartigen Quanten-Trajektorien-Simulationen verdeutlichen die entscheidende Rolle der Tunneldynamik für die Ultrakurzzeit-Dynamik und die harmonische Emission von Halbleitern. Anders als in semiklassischen Modellen berücksichtigt unser Ansatz, dass Elektronen und Löcher direkt nach dem Tunneln einen endlichen Abstand und endliche Geschwindigkeiten haben können“, erklärt Ruixin Zuo, Doktorandin in der Gruppe von Prof. Dr. Torsten Meier an der Universität Paderborn. „Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass das Tunneln in starken elektromagnetischen Feldern kein adiabatischer, sondern ein nicht-adiabatischer Prozess ist, was bedeutet, dass Elektronen und Löcher während des Tunnelns Energie aus dem elektromagnetischen Feld gewinnen“, ergänzt Prof. Weifeng Yang von der Hainan Universität.
Die Ergebnisse des deutsch-chinesischen Teams bieten einen intuitiven Einblick in die nicht-adiabatische Tunneldynamik in Festkörpern und haben direkte Auswirkungen auf die Erforschung grundlegender quantenmechanischer Phänomene in Festkörpersystemen mit Techniken der Attosekunden-Spektroskopie.
