Kurzzeitspektroskopie

Dynamische Vorgänge in der Natur haben generell sehr schnelle Elementarprozesse zur Grundlage. Hier sind auf mikroskopischen Skalen ablaufende Transport- und Energieübertragungsprozesse zu nennen, welche häufig nur in Ansätzen bekannt sind. Die Untersuchung dieser Elementarschritte ist eine wichtige Aufgabe der Physik.

Eine besondere Herausforderung stellt die hohe Geschwindigkeit dar, mit der diese Vorgänge ablaufen. Die entsprechenden Zeitkonstanten liegen im Bereich von Pikosekunden bis Femtosekunden (1 fs = 10^-15 s; 1 ps = 10^-12 s); derartig kurze Zeiten können mit elektronischen Mitteln nicht mehr aufgelöst werden. Daher müssen spezielle optische Verfahren mit ultrakurzen Impulsen eingesetzt werden.

Ladungsträgerrelaxation in strukturierten Halbleitermaterialien

Mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie können heute extrem dünne Halbleiterschichtstrukturen, z. B. aus GaAs/AlxGa1-xAs, hergestellt werden. Die geringe Dicke der Schichten von einigen nm führt zu einer eindimensionalen Quantisierung des Valenz- und Leitungsbandes der GaAs-Schichten, es entstehen sogenannte Subbänder. Subpikosekundenimpulse im nahen Infrarot eignen sich besonders gut zur Untersuchung der Ladungsträgerrelaxation in diesen Halbleiterstrukturen, die von erheblicher technologischer Bedeutung sind. Es werden Tunnelprozesse, Einfangprozesse, thermionische Emission und der Transport von Ladungsträger in hohen elektrischen Feldern studiert.

Weiterhin stehen Übergänge zwischen den Subbändern mit Energieabständen von ungefähr 100 meV (das entspricht einer Wellenlänge von 12 µm) im Zentrum unseres Interesses. Die Dynamik dieser Intersubband-Streuprozesse lässt sich mit Hilfe einer Ausbleichmethode mit infraroten Lichtimpulsen, die bei Wellenlängen von etwa 10 µm abstimmbar sind, sehr gut untersuchen. Darüber hinaus wird mit einem nichtlinearen optischen Verfahren, der Lochbrennspektroskopie, die Struktur der Absorptionslinien eingehend studiert und zwischen homogenen und inhomogene Verbreiterungen unterschieden. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sind bei der Entwicklung moderner ultraschneller Bauelemente sehr hilfreich.

Zeitaufgelöste Spektroskopie an Makromolekülsystemen

Farbstoffmoleküle werden als spektroskopische Sonden in Festkörpern benutzt, um dynamische Prozesse mikroskopisch mit Pikosekundenzeitauflösung im Temperaturbereich von 10 K bis 300 K untersuchen zu können. Besonders interessant ist dabei die Wechselwirkung der Farbstoffmoleküle mit polymeren Umgebungen.