Forskare från University of Konstanz och Paderborn University har för första gången lyckats producera och demonstrera vad som kallas Wannier-Stark-lokalisering. Genom att göra så, fysikerna lyckades övervinna hinder som hittills ansetts oöverstigliga inom optoelektronik och fotonik. Wannier-Stark lokalisering orsakar extrem obalans inom det elektriska systemet av kristallina fasta ämnen. "Denna grundläggande effekt förutspåddes för mer än 80 år sedan. Men det har varit oklart sedan dess om detta tillstånd kan realiseras i en bulkkristall, det är, på nivån av kemiska bindningar mellan atomer, säger professor Alfred Leitenstorfer, professor i experimentell fysik vid universitetet i Konstanz. Analoger av effekten har hittills endast påvisats i konstgjorda system som halvledarsupergitter eller ultrakalla atomgaser. I en bulk fast, Wannier-Stark lokalisering kan bara upprätthållas under en extremt kort tidsperiod, kortare än en enda oscillation av infrarött ljus. Med hjälp av ultrasnabba lasersystem vid universitetet i Konstanz, Wannier-Stark lokalisering har nu demonstrerats för första gången. Experimentet utfördes i en galliumarsenidkristall med hög renhet odlad vid ETH Zürich med användning av epitaxiell tillväxt. Forskningsresultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation den 23 juli 2018.

En kristall kan visualiseras som ett tredimensionellt rutnät som består av små pärlor som stöter bort varandra och bara hålls samman av gummiband. Systemet förblir stabilt så länge gummibandet är lika starkt som avstötningen är. Om detta är fallet, pärlorna rör sig inte närmare varandra, de rör sig inte heller ifrån varandra – avståndet mellan dem förblir ungefär detsamma. Wannier-Stark lokalisering inträffar när gummibanden tas bort abrupt. Det är det elektroniska tillståndet som inträffar i det exakta ögonblicket i tiden när gummibanden redan har försvunnit men pärlorna fortfarande sitter kvar:De kemiska bindningarna som håller ihop kristallen har suspenderats.

Om detta tillstånd bibehålls för länge, pärlorna bryts isär och kristallen löses upp. För att analysera Wannier-Starks lokalisering, fysikerna var tvungna att ta bort de stabiliserande strukturerna, fånga systemet inom en bråkdel av en ljusoscillation med hjälp av ljuspulser, och slutligen för att stabilisera den igen för att förhindra att atomerna går sönder. Experimentet möjliggjordes genom det mycket intensiva elektriska fältet av en ultrakort infraröd ljuspuls, som bara finns i kristallen under några femtosekunder. "Det här är vad vi är specialiserade på:att studera fenomen som bara existerar på mycket korta tidsskalor, " förklarar Alfred Leitenstorfer.

"I perfekta isolatorer och halvledare, elektroniska tillstånd expanderar genom hela kristallen. Enligt en 80-årig förutsägelse, detta ändras så snart elektrisk spänning läggs på, " säger professor Torsten Meier från Paderborn University. "Om det elektriska fältet inuti kristallen är tillräckligt starkt, de elektroniska tillstånden kan lokaliseras till ett fåtal atomer. Detta tillstånd kallas Wannier-Stark-stegen, " förklarar fysikern.

"Ett system som avviker så extremt från sin jämvikt har helt nya egenskaper, " säger Alfred Leitenstorfer om varför detta tillstånd är så intressant ur ett vetenskapligt perspektiv. Den kortlivade Wannier-Stark-lokaliseringen korrelerar med drastiska förändringar av kristallens elektroniska struktur och resultat, till exempel, i extremt hög optisk olinjäritet. Forskarna antar också att detta tillstånd är kemiskt särskilt reaktivt.

Den första experimentella realiseringen någonsin av Wannier-Stark-lokalisering i en galliumarsenidkristall möjliggjordes genom högintensiv Terahertz-strålning med fältintensiteter på mer än tio miljoner volt per centimeter. Tillämpningen av mer ultrakorta optiska ljuspulser resulterade i förändringar i kristallens optiska egenskaper, vilket var avgörande för att bevisa detta tillstånd. "Om vi ​​använder tillräckligt intensiva ljuspulser som består av några få svängningar som bara varar cirka tio femtosekunder, vi kan realisera Wannier-Stark-lokaliseringen under en kort tidsperiod, " säger Alfred Leitenstorfer. "Våra avläsningar matchar de teoretiska överväganden och simuleringar som genomförts både av mitt eget forskarteam och av min kollegas, Professor Wolf Gero Schmidt, ", tillägger Torsten Meier. Forskarna planerar att studera det extrema tillståndet av Wannier-Starks lokalisering på atomär skala mer i detalj i framtiden och avser att göra dess speciella egenskaper användbara.