Wenn Materie hochintensiver elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird, können Nichtlinearitäten des Materials zur Emission von Licht führen, das sehr hohe Vielfache der einfallenden Frequenz enthält. Dieser Prozess wird als High Harmonic Generation (HHG) bezeichnet und kann zur Erzeugung extrem kurzer Lichtimpulse mit einer Dauer im Bereich von Attosekunden genutzt werden. Zum Vergleich: In einer Attosekunde, also 10-18 Sekunden, legt das Licht nur 0,3 Nanometer zurück, was dem Durchmesser von Atomen entspricht. Solche Pulse bilden die Grundlage für das sich rasant entwickelnde Gebiet der Attosekundenforschung und können zur Analyse ultraschneller Prozesse in Materie verwendet werden. Eine wichtige Vision solcher Untersuchungen besteht darin, die elektronische Dynamik direkt durch das schnell oszillierende elektrische Feld des Lichts zu steuern. Dieser Bereich der sogenannten Lichtwellenelektronik hat das Potenzial, optoelektronische Bauelemente enorm zu beschleunigen, was zahlreiche Anwendungen erheblich verbessern, wenn nicht gar revolutionieren würde.
Das Tunneln durch Regionen mit hohem Potential, die im Rahmen der klassischen Physik nicht zugänglich sind, ist eines der grundlegendsten Quantenphänomene. Dieser Prozess ist auch von großer Bedeutung, wenn Materie durch intensive elektromagnetische Felder angeregt wird und hohe Harmonische erzeugt werden. Obwohl es sich beim Tunneln um einen quantenmechanischen Prozess handelt, wurden bisher typischerweise vereinfachte, sogenannte semiklassische Methoden zur Bestimmung elektronischer Trajektorien in Halbleitern verwendet. Solche Ansätze beruhen jedoch auf Annahmen, die im Bereich der extremen Licht-Materie-Wechselwirkungen nicht erfüllt sind.
„Unsere neuartigen Quanten-Trajektorien-Simulationen verdeutlichen die entscheidende Rolle der Tunneldynamik für die Ultrakurzzeit-Dynamik und die harmonische Emission von Halbleitern. Anders als in semiklassischen Modellen berücksichtigt unser Ansatz, dass Elektronen und Löcher direkt nach dem Tunneln einen endlichen Abstand und endliche Geschwindigkeiten haben können", erklärt Ruixin Zuo, Doktorandin in der Gruppe von Prof. Dr. Torsten Meier an der Universität Paderborn. „Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass das Tunneln in starken elektromagnetischen Feldern kein adiabatischer, sondern ein nicht-adiabatischer Prozess ist, was bedeutet, dass Elektronen und Löcher während des Tunnelns Energie aus dem elektromagnetischen Feld gewinnen", ergänzt Prof. Weifeng Yang von der Hainan Universität.
Die Ergebnisse des deutsch-chinesischen Teams bieten einen intuitiven Einblick in die nicht-adiabatische Tunneldynamik in Festkörpern und haben direkte Auswirkungen auf die Erforschung grundlegender quantenmechanischer Phänomene in Festkörpersystemen mit Techniken der Attosekunden-Spektroskopie. Der neuartige Ansatz und die erzielten Ergebnisse werden in einem Artikel mit dem Titel „Revealing the nonadiabatic tunneling dynamics in solid-state high harmonic generation" beschrieben, der kürzlich als Letter in der Open-Access-Zeitschrift "Physical Review Research" veröffentlicht wurde.
