Ein Quantenaufzug im Zeitlupenvideo
Mit einer neuen Zeitlupenkamera für Elektronen machen Physikerinnen und Physiker aus Regensburg, Marburg und Jülich sichtbar, wie intensive elektrische Felder Elektronen in Graphen antreiben und auf scheinbar paradoxe Weise Energielücken überspringen lassen. Möglich macht diese Beobachtungen eine völlig neuartige Kombination aus Lasertechnik und Elektronenmikroskopie.
Das verblüffende Verhalten der Elektronen ist in etwa so, als würde bei einer Fahrt mit dem Aufzug die Stockwerksanzeige nach „1“, „2“, „3“ unvermittelt auf „20“ springen. Die siebzehn Stockwerke dazwischen hat man nie durchlaufen – und doch kommt man im zwanzigsten Stockwerk an. Was nach einem unmöglichen Sprung klingt, ist in der Quantenwelt tatsächlich möglich. Man nennt solche Vorgänge Landau-Zener-Majorana-Übergänge und vermutet seit langem, dass sie eine zunehmend wichtige Rolle in der Hochgeschwindigkeitselektronik in Halbleitern spielen könnten.
Einem Forschungsteam der Universität Regensburg, der Philipps-Universität Marburg und des Forschungszentrums Jülich ist es nun gelungen, die ultraschnelle Dynamik solcher Übergänge im Material Graphen sichtbar zu machen. Das Team berichtet darüber in seiner neuesten Studie in der international renommierten Fachzeitschrift Nature (DOI: 10.1038/s41586-026-11214-y).
Die Forschenden konnten verfolgen, wie Elektronen durch das elektrische Feld eines Lichtimpulses beschleunigt werden und während ihrer Bewegung zwischen verschiedenen Energiebändern wechseln. In Halbleitern und verwandten Materialien dürfen Elektronen nur bestimmte Energiebereiche – sogenannte Bänder – besetzen, die durch eine verbotene Energielücke voneinander getrennt sind. Normalerweise bleiben die Elektronen fest in ihrem jeweiligen Band gefangen; bei einem Landau-Zener-Majorana-Übergang überwinden sie diese verbotene Zone jedoch scheinbar mühelos.
Eine Zeitlupenkamera für Elektronen
Um solche extrem schnellen Vorgänge beobachten zu können, entwickelte das Team eine neuartige Kombination aus Lasertechnik und Elektronenmikroskopie. „Wenn man wissen will, wer ein Rennen gewonnen hat, muss man alle Teilnehmer im Blick behalten“, erklärt Vincent Eggers, Erstautor der Studie. „Genauso müssen wir möglichst viele Elektronen gleichzeitig beobachten, um diejenigen zu entdecken, die während ihrer Bewegung einen quantenmechanischen Übergang vollziehen.“ Möglich macht dies ein sogenanntes Photoemissions-Impulsmikroskop. Anders als ein gewöhnliches Mikroskop zeigt es keine vergrößerten Bilder von Gegenständen. Stattdessen erfasst es die Energien und Bewegungszustände der Elektronen und erstellt daraus eine Art Landkarte ihrer Verteilung.
Die besondere Herausforderung bestand darin, die Elektronenspektroskopie mit starken, extrem schnell schwingenden Lichtfeldern zu kombinieren, die die Elektronen gezielt in Bewegung versetzen. „Unser Team hat viele Jahre an diesem Experiment gearbeitet. Jetzt können wir die Bewegung von Elektronen im Takt des Lichts über die gesamte Energielandschaft eines Festkörpers hinweg verfolgen“, sagt Rupert Huber.
Sein Kooperationspartner Ulrich Höfer – einer der Pioniere ultraschneller Elektronenspektroskopie – ergänzt begeistert: „Dass wir gleich bei der ersten Messkampagne einen so grundlegenden quantenmechanischen Prozess beobachten konnten, war für uns ein ganz besonderer Moment – und hat auch viel mit den Proben zu tun, die wir hierfür nutzen konnten.“
Grundlage für die Messungen waren maßgeschneiderte, atomar dünne Kohlenstoffschichten von höchster Reinheit, die am Forschungszentrum Jülich hergestellt wurden. „Für diese Präzisionsexperimente muss das Material einerseits auf atomarer Ebene nahezu perfekt sein, damit die empfindliche Quantendynamik der Elektronen nicht durch Störstellen verwischt wird. Ebenso hilfreich für unsere Untersuchung war aber auch die Verwendung eines „gedrehten“ Graphens, das eine Jülicher Spezialität ist und das die Quantendynamik besonders klar hervortreten lässt“, betont Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich.
Die Zeitlupenaufnahmen enthüllten dabei ein überraschendes Resultat: Unter dem Einfluss der starken Lichtfelder überwinden die Elektronen die Bandlücke mit einer Tunnelwahrscheinlichkeit von bis zu einhundert Prozent. Das Faszinierende an Landau-Zener-Majorana-Übergängen ist, dass sie selbst dann mit hoher Wahrscheinlichkeit stattfinden können, wenn die beteiligten Energiezustände deutlich voneinander getrennt sind. Entscheidend ist, wie schnell sich die Elektronen der Bandlücke nähern. Darin unterscheiden sich diese dynamischen Übergänge grundlegend vom gewöhnlichen quantenmechanischen Tunneln durch eine räumliche Energiebarriere.
Ein Panoramablick in die Quantenwelt
Mit der neuen Methode lassen sich nicht nur fundamentale quantenmechanische Übergänge untersuchen, sondern auch die Prozesse, die eine gezielte Kontrolle der Elektronen begrenzen. Bereits die Messungen an Graphen zeigen, wie Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter die zunächst geordnete Bewegung der Elektronen stören. Solche Erkenntnisse sind insbesondere für die Entwicklung zukünftiger Technologien wichtig, bei denen Elektronen nicht mehr nur durch elektrische Spannungen, sondern unmittelbar durch die extrem schnellen Schwingungen von Licht gesteuert werden.
Oder wie Giacomo Inzani von der Universität Regensburg es zusammenfasst: „Unser Experiment öffnet ein Panoramafenster in die Quantenwelt. Wir können jetzt in Echtzeit verfolgen, wie sich Elektronen durch die Energielandschaft eines Materials bewegen. Und das ist erst der Anfang: Unsere Methode lässt sich auf viele weitere Quantenmaterialien übertragen und eröffnet damit völlig neue Möglichkeiten, ihre elektronischen Eigenschaften gezielt mit Licht zu steuern.“
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Rupert Huber https://www.uni-regensburg.de/en/physics/wg/rhuber/team rupert.huber@ur.de
Prof. Dr. Ulrich Höfer https://www.of-marburg.de/ hoefer@physik.uni-marburg.de
Originalpublikation:
V. Eggers, G. Inzani, M. Meierhofer, L. Münster, J. Helml, R. Wallauer, S. Zajusch, S. Ito, L. Machtl, H. Yin, C. Kumpf, F. C. Bocquet, C. Bao, J. Güdde, F. S. Tautz, R. Huber & U. Höfer, "Subcycle videography of Landau-Zener-Majorana transitions in graphene", Nature (2026), DOI: 10.1038/s41586-026-11214-y
Weitere Informationen:
https://www.nature.com/articles/s41586-026-11214-y Zur Publikation in Nature
https://www.uni-regensburg.de/en/physics/wg/rhuber Huber group
https://www.of-marburg.de/ Höfer group
https://www.run-regensburg.de/ Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy RUN
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