Publikationsrepositorium - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Graphen, ein zweidimensionaler Kohlenstoffkristall weist eine Bandstruktur ohne Bandlücke auf. Im Bereich kleiner Energien ist die Dispersion linear und Elektronen und Löcher verhalten sich perfekt symmetrisch. Ihr Verhalten entspricht masselosen Dirac-Fermionen. Nach einem kurzen Überblick über grundlegende Eigenschaften von Graphen und dem Anwendungspotential dieses Materials stellen wir einige unserer Experimente zur Ladungsträgerdynamik vor.
Wird Graphen mit kurzen, linear polarisierten nahinfraroten Lichtpulsen angeregt, so beobachten wir eine im k-Raum anisotrope Ladungsträgerverteilung. Erstaunlicher Weise bleibt diese Anisotropie für 150 fs erhalten, obwohl die Elektron-Elektron Streuzeit in dem System viel kürzer ist. Wir zeigen, dass Energie- und Impulserhaltung für diese Anisotropie-erhaltende Wirkung der Coulomb-Streuung verantwortlich sind und eine isotrope Ladungsträgerverteilung durch Elektron-Phonon-Streuung erreicht wird. Verwenden wir zur Anregung Strahlung mit Photonenergie kleiner als die optische Phonon-Energie, so bleibt die Anisotropie auf der Skala von 1 – 10 ps erhalten. Für diese Experimente dient der Freie-Elektronenlaser FELBE als Strahlungsquelle.
Schließlich diskutieren wir die Ladungsträgerdynamik zwischen Landau-Niveaus von Graphen im Magnetfeld. Hierfür wurde zirkular polarisierte Infrarotstrahlung von FELBE eingesetzt. Hier gibt es aufgrund der Coulomb-Wechselwirkung einen sehr verblüffenden Effekt, nämlich dass ein Landauniveau entvölkert wird, obwohl es durch optisches Pumpen mit Ladungsträgern befüllt wird.
Zusammenfassend zeigen unsere Experimente, dass man mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge und unterschiedlicher Polarisationszustände tiefe Einblicke in die Dynamik stark Coulomb-wechselwirkenden Elektronen in Graphen erhalten kann.