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Rossendorfer finden Schlüssel zu Präzisonslaser

Der Freie-Elektronen-Laser im Forschungszentrum. Foto: HZDR, Frank Bierstedt

Der Freie-Elektronen-Laser im Forschungszentrum. Foto: HZDR, Frank Bierstedt

Physiker lassen Graphen Elektronen-Billard spielen

Dresden-Rossendorf, 24. November 2014: Dresdner Strahlen-Physiker haben durch Experimente mit dem als „Wunderwerkstoff“ geltendem Graphen einen Weg gefunden, um besonders präzise Laser zu konstruieren, teilte das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf mit. Solche Graphen-Lichtverstärker könnten zum Beispiel für neuartige Werkzeugmaschinen oder auch die Konstruktion superschneller Optoelektronik-Bausteine verwendet werden.

„Wundermaterial“ Graphen: reißfest wie Stahl, stromfreudiger als Kupfer

Bei Graphen handelt es sich um ein Kohlenstoff-Netz, das aus nur einer einigen Atomlage besteht und damit und rund eine Million Mal dünner als ein Blatt Papier. Anders als das verwandte Graphit, das wir aus Bleistiften kennen, hat es überraschende Eigenschaften: Es ist fester als Stahl, leitet Strom und Wärme besser als Kupfer, zeigt unter bestimmten Bedingungen Effekte, die es für den Bau von Quantencomputern empfehlen und dergleichen mehr.

Kohlenstoff-Netz mit Supermagneten und Lasern in die Mangel genommen

Und nun haben die Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) dem Graphen eine weitere wundersame Eigenschaft entrungen, für die sie die superstarken Magneten aus dem HZDR-Hochfeldlabor und ihren benachbarten „Freie-Elektronen-Laser“ einsetzten. Die Wissenschaftler legten das Graphen zunächst in ein vier Tesla starkes Magnetfeld, das entspricht der 40-fachen der Feldstärke eines Hufeisenmagneten. Außerdem feuerten sie aus ihrem FEL Lichtpulse in die Kohlenstoff-Waben. Dadurch zwangen sie die Elektronen im Graphen in ganz bestimmte Bahnen, sogenannte „Landau-Niveaus“.

Statt sich zu füllen, leert sich das Elektronenregal

Der Auger-Effekt im Graphen kann genutzt werden, um bestimmte Elektronen-Energieniveaus zu füllen oder zu leeren. Grafik: HZDR/Voigt

Der Auger-Effekt im Graphen kann genutzt werden, um bestimmte Elektronen-Energieniveaus zu füllen oder zu leeren. Grafik: HZDR/Voigt

Doch obwohl der Laser immer mehr Elektronen dorthin pumpten, leerten sich zur Verblüffung ausgerechnet diese Bahnen um die Kohlenstoff-Atome immer mehr. „Man stelle sich vor, eine Bibliothekarin sortiert Bücher in einem Regal mit drei Böden um“, veranschaulicht Projektleiter Dr. Stephan Winnerl vom HZDR das Phänomen. „Sie stellt jeweils ein Buch vom unteren Boden in den mittleren. Gleichzeitig ‚hilft‘ ihr Sohn, indem er immer zwei Bücher aus der Mitte nimmt und eins davon in den oberen, das andere in den unteren Boden stellt. Der Junge macht das so eifrig, dass die Anzahl der Bücher im mittleren Boden abnimmt, obwohl seine Mutter ja gerade diesen Boden neu füllen möchte.“

Elektronen-Stoßspiel in Gang gesetzt

Schließlich erkannten die Forscher, dass sie eine Art Elektronen-Billard in Gang gesetzt hatten: Während in „normalen“ Atomen Elektronen nach einem Ausflug in höhere Umlaufbahnen wieder in ihren alten Trott zurückfallen und dabei ein Lichtteilchen aussenden, um ihre geborgte Energie wieder loszuwerden, trat im Graphen ein sogenannter „Auger“-Effekt ein: Statt Licht auszusenden, buckelten die angeregten Elektronen ihre überschüssige Energie einem Nachbarn auf – der dann so aufgeregt ist, dass er aus dem Atomverbund entflieht.

Frei modulierbare Landau-Laser in Sicht

Die Physiker denken nun, dass sie diesen Effekt nutzen können, um künftig Laser bauen zu können, die beliebig in ihrer Wellenlänge zwischen Infrarot- und Terahertz-Bereich verstellbar sind. „So ein Landau-Niveau-Laser galt lange als unmöglich, doch dank Graphen könnte dieser Traum der Halbleiter-Physiker durchaus wahr werden“, erklärte Projektleiter Dr. Stephan Winnerl vom HZDR. Autor: Heiko Weckbrodt

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