Bloch-Oszillationen

Als Bloch-Oszillationen bezeichnet man die Oszillation von Ladungsträgern in Festkörpern unter der Wirkung eines statischen elektrischen Feldes.

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Ursache für diese Oszillationen ist der Zusammenhang zwischen der effektiven Masse eines Ladungsträger und der Dispersionsrelation in einem periodischen Potenzial.

Die Masse von Ladungsträgern in kristallinen Festkörpern ist wesentlich von den periodischen Eigenschaften des Gitters abhängig. Auch Richtung (Anisotropie) und Betrag (Dispersion) der Ladungsträger-Geschwindigkeit relativ zum Kristallgitter haben einen Einfluss auf die effektive Masse. Für die einfache Näherung eines anisotropen Festkörpers ist diese umgekehrt proportional zur Krümmung (d.h. zur zweiten "Ableitung") der Dispersionskurve:

Der Betrag der effektiven Masse deckt damit im unendlich ausgedehnten, streng periodischen Gitter alle Werte der reellen Zahlen ab. Die effektive Masse kann also insbesondere auch negativ werden. Dies geht im Teilchenbild mit einer Umkehr der Bewegungsrichtung einher. Ein von außen angelegtes konstantes elektrisches Feld verändert die effektive Masse der Ladungsträger so, dass das Vorzeichen der Bewegungsrichtung periodisch oszilliert. Die Oszillationsperiode

ist proportional zur Stärke E₀ des angelegten externen Feldes und zur Gitterperiode d des Festkörpers. Diese Oszillation von elektrischer Ladung verursacht elektromagnetische Strahlung, die prinzipiell messbar ist.

In natürlichen Festkörpern ist ω_B aufgrund der verhältnismäßig kleinen Gitterperioden selbst bei sehr starken elektrischen Feldern nicht ausreichend hoch, als dass die Ladungsträger innerhalb von Streu- und Tunnelzeiten vollständige Oszillationen durchführen können. Der experimentelle Nachweis von Bloch-Oszillationen konnte daher seit ihrer theoretischen Vorhersage durch Leo Esaki im Jahre 1970 lange Zeit nicht erbracht werden. Erst die Fortschritte in der Halbleitertechnologie der vergangenen Jahre und Jahrzehnte ermöglichten unter Verwendung künstlicher Halbleiter (sogenannter Halbleiterübergitter) die Herstellung von Strukturen mit genügend großen Übergitterperioden (Jochen Feldmann, 1992).

Praktische Anwendung finden Bloch-Oszillationen in elektronischen Bauelementen zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung.