Wetenschappers van de Universiteit van Konstanz en Paderborn University zijn er voor het eerst in geslaagd om wat bekend staat als Wannier-Stark-lokalisatie te produceren en te demonstreren. Daarbij, de fysici wisten obstakels te overwinnen die tot nu toe als onoverkomelijk werden beschouwd op het gebied van opto-elektronica en fotonica. Wannier-Stark-lokalisatie veroorzaakt extreme onbalans in het elektrische systeem van kristallijne vaste stoffen. "Dit fundamentele effect werd meer dan 80 jaar geleden voorspeld. Maar het is sindsdien onduidelijk gebleven of deze toestand kan worden gerealiseerd in een bulkkristal, dat is, op het niveau van chemische bindingen tussen atomen, " zegt professor Alfred Leitenstorfer, hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Universiteit van Konstanz. Analoga van het effect zijn tot nu toe alleen aangetoond in kunstmatige systemen zoals superroosters van halfgeleiders of ultrakoude atomaire gassen. In een stortgoed, Wannier-Stark-lokalisatie kan slechts voor een extreem korte periode worden gehandhaafd, korter dan een enkele oscillatie van infrarood licht. Met behulp van de ultrasnelle lasersystemen aan de Universiteit van Konstanz, De lokalisatie van Wannier-Stark is nu voor het eerst aangetoond. Het experiment werd uitgevoerd in een zeer zuiver galliumarsenidekristal dat werd gekweekt bij ETH Zürich met behulp van epitaxiale groei. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie op 23 juli 2018.

Een kristal kan worden gevisualiseerd als een driedimensionaal raster dat bestaat uit kleine kralen die elkaar afstoten en alleen bij elkaar worden gehouden door elastiekjes. Het systeem blijft stabiel zolang de rubberen band net zo sterk is als de afstoting. Als dit de zaak is, de kralen komen niet dichter bij elkaar, ze bewegen ook niet van elkaar weg - de afstand tussen hen blijft ongeveer hetzelfde. Wannier-Stark-lokalisatie treedt op wanneer de elastiekjes abrupt worden verwijderd. Het is de elektronische toestand die plaatsvindt op het precieze moment dat de elastiekjes al verdwenen zijn, maar de kralen nog steeds op hun plaats blijven:de chemische bindingen die het kristal bij elkaar houden, zijn opgehangen.

Als deze toestand te lang wordt aangehouden, de kralen zullen uit elkaar vallen en het kristal lost op. Om Wannier-Stark-lokalisatie te analyseren, de natuurkundigen moesten de stabiliserende structuren verwijderen, het systeem vastleggen binnen een fractie van een lichtoscillatie met behulp van lichtpulsen, en tenslotte om het weer te stabiliseren om te voorkomen dat de atomen uiteenvallen. Het experiment werd mogelijk gemaakt door het zeer intense elektrische veld van een ultrakorte infraroodlichtpuls, die slechts enkele femtoseconden in het kristal aanwezig is. "Dit is waar we ons in specialiseren:het bestuderen van verschijnselen die alleen op zeer korte tijdschalen bestaan, " legt Alfred Leitenstorfer uit.

"In perfecte isolatoren en halfgeleiders, elektronische toestanden breiden zich uit over het hele kristal. Volgens een 80-jarige voorspelling dit verandert zodra er elektrische spanning wordt aangelegd, " zegt professor Torsten Meier van Paderborn University. "Als het elektrische veld in het kristal sterk genoeg is, de elektronische toestanden kunnen worden gelokaliseerd op enkele atomen. Deze toestand wordt de Wannier-Stark-ladder genoemd, ’ legt de natuurkundige uit.

"Een systeem dat zo extreem van zijn evenwicht afwijkt, heeft geheel nieuwe kenmerken, " zegt Alfred Leitenstorfer over waarom deze toestand zo interessant is vanuit een wetenschappelijk perspectief. De kortstondige Wannier-Stark-lokalisatie correleert met drastische veranderingen in de elektronische structuur van het kristal en de resultaten, bijvoorbeeld, in extreem hoge optische niet-lineariteit. De wetenschappers gaan er ook van uit dat deze toestand chemisch bijzonder reactief is.

De allereerste experimentele realisatie van Wannier-Stark-lokalisatie in een galliumarsenidekristal werd mogelijk gemaakt door zeer intense Terahertz-straling met veldintensiteiten van meer dan tien miljoen volt per centimeter. De toepassing van meer ultrakorte optische lichtpulsen resulteerde in veranderingen in de optische eigenschappen van het kristal, die instrumenteel was om deze staat te bewijzen. "Als we geschikte intense lichtpulsen gebruiken, bestaande uit een paar oscillaties die slechts ongeveer tien femtoseconden duren, we de Wannier-Stark-lokalisatie voor een korte periode kunnen realiseren, " zegt Alfred Leitenstorfer. "Onze metingen komen overeen met de theoretische overwegingen en simulaties die zowel door mijn eigen onderzoeksteam als door die van mijn collega zijn uitgevoerd, Professor Wolf Gero Schmidt, ", voegt Torsten Meier toe. De onderzoekers zijn van plan om de extreme toestand van Wannier-Stark-lokalisatie op atomaire schaal in de toekomst meer in detail te bestuderen en zijn van plan om de specifieke kenmerken ervan bruikbaar te maken.