Neu entdeckter Effekt in GaAs-Kristallen

Ein GaAs-Kristall besteht aus einem regelmäßigen Gitter von Gallium- und Arsen-Atomen - die Galliumatome sind leicht positiv und die Arsenatome leicht negativ geladen. Bewegt sich ein Elektron langsam durch den Kristall, verzerrt sich das Kristallgitter in seiner Umgebung: Gitterschwingungen, so genannte Phononen, entstehen.

"Das kann man sich vorstellen wie bei einem schweren Ball, der über eine Matratze rollt", erläutert Michael Woerner. "Die Metallfedern der Matratze werden zusammengedrückt und entspannen sich wieder." Durch die Gitterschwingungen verliert das Elektron Energie und wird gebremst. Diese Abbremsung ist nichts anderes als der elektrische Widerstand eines Materials. Dabei driften die Elektronen mit konstanter Geschwindigkeit durchs Gitter. Die Grundlage des Ohm'schen Gesetzes für den elektrischen Widerstand.

Eine gänzlich neue Situation tritt auf, wenn die Elektronen einen Kavalierstart hinlegen, das heißt wenn sie - durch ein extrem hohes elektrisches Feld - schneller als die Reaktionszeit der Atome in ihrer Umgebung beschleunigt werden. Die Forscher verwenden zur Beschleunigung ein elektrisches Feld von 2 Millionen Volt pro Meter, das sie für 0,3 Pikosekunden an den Kristall anlegen: Im Gegensatz zur Driftbewegung mit konstanter Geschwindigkeit, die man bei kleinen elektrischen Feldern findet, wechselt überraschenderweise die Geschwindigkeit der beschleunigten Elektronen periodisch zwischen hohen und niedrigen Werten, das Elektron führt eine Art Zitterbewegung aus.

Der Leiter der Forschergruppe, MBI-Direktor Prof. Thomas Elsässer, sagt: "Die Tatsache, dass schnell beschleunigte Elektronen einerseits Schwingungen der Atome anregen und andererseits von den schwingenden Atomen abwechselnd gebremst und beschleunigt werden, ist von großer Bedeutung für den Ladungstransport in Nanostrukturen." Dort könnten aufgrund der geringen Abmessungen ähnlich starke elektrische Felder auftreten. Elsässer fügt hinzu: "Unsere Ergebnisse bilden deshalb auch eine Grundlage für die Optimierung der Transporteigenschaften von Halbleiter-Nanobauelementen."

COMPAMED.de; Quelle: Forschungsverbund Berlin e.V.