02.08.2021

Basis für gemischte Licht-Materie-Phasen

Eingeschlossenes Licht für die Erzeugung neuer Materialeigenschaften.

Photonen in einem Hohlraum­resonator können Ferro­elektrizität in Kristallen aus Strontium­titanat (SrTiO₃) verursachen, so eine neue Studie der Theorie-Gruppe des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie MPSD in Hamburg. Die Photonen, die im Vakuum des Hohlraums erzeugt und wieder zerstört werden – gemäß den Gesetzen der Quanten­mechanik – können das Verhalten der Elektronen und Atome im SrTiO₃-Kristall erheblich verändern. Die theoretischen Vorhersagen des Teams zeigen das große Potenzial von auf kleinem Raum einge­schlossenem Licht für die Erzeugung neuer Material­eigenschaften.

Abb.: Illustration eines Strontium­titanat-Kristalls in einem optischen...
Abb.: Illustration eines Strontium­titanat-Kristalls in einem optischen Hohlraum. Die mikro­skopische Vergrößerung einer Kristall-Einheits­zelle zeigt die Bewegung des Titanatoms in Relation zu den Sauerstoff­atomen. (Bild: S. Latini & U. de Giovannini, MPSD)

Die Ergebnisse ebnen den Weg für die Erforschung neuartiger gemischter Licht-Materie-Phasen, welche die Forscher "Photo-Grund­zustände" nennen. Dies sind Phasen, in denen die Atome und Elektronen des Materials durch die starke Wechsel­wirkung mit im Hohlraum eingeschlossenem Licht einen neuen, stabilen Zustand erreichen. Material­phasen, wie etwa magnetische, supraleitende oder ferro­elektrische Phasen, werden unter Anderem durch das kollektive Verhalten der Atome und Elektronen des Materials bestimmt. Wenn solche mikro­skopischen Komponenten gezwungen werden, stark mit Licht zu interagieren, kann sich ihr kollektives Verhalten grundlegend ändern, so dass das Material eine neue, stabile Phase entwickelt. So ließe sich Licht als ein zusätzliches Werkzeug einsetzen, um Material­phasen zu erzeugen und ihre Eigenschaften auf bestimmte techno­logische Anwendungen zuzuschneiden, wie zum Beispiel die Informations­verarbeitung, Sensorik oder die Energie­erzeugung durch Sonnenlicht. 

Das Team sagt nun einen neuartigen Photo-Grundzustand für den SrTiO₃-Kristall voraus, sobald er in einem optischen Hohlraum­resonator platziert wird, wo das Licht zwischen zwei Metallplatten auf kleinem Raum stark eingeengt wird. Dies verstärkt die Wechsel­wirkung zwischen den Photonen und den Teilchen des einge­betteten Materials. In SrTiO₃ können die positiv geladenen Titanatome gegenüber den negativ geladenen Sauerstoff­atomen schwingen, was oszillierende Dipole erzeugt. Im üblichen Grundzustand treten solche Schwingungen nur als zufällige Bewegungen der Ionen auf, die Quanten­fluktuationen, welche sich normaler­weise gegenseitig aufheben und keinen beobachtbaren Effekt haben. 

Wird SrTiO₃ jedoch in einen optischen Hohlraum platziert, verhält sich das Material vollkommen anders. Die atomis­tische Beschreibung der Theoretiker zeigt, dass die Vakuumfluktuationen der Photonen im Hohlraum wiederum kollektiv die Quantenfluktuationen der Kerne im Material verändern können. Dadurch beginnen die oszil­lierenden Dipole gemeinsam zu schwingen, anstatt sich zufällig zu bewegen, und erzeugen ein makro­skopisches elektrisches Feld. Es entsteht eine ferro­elektrische Phase, welche nun zum bevorzugten Grundzustand statt der quanten­paraelektrischen Phase wird, in der kein makro­skopisches elektrisches Feld vorhanden ist.

Die Arbeit des Teams zeigt, dass die eingeengten Photonen komplexen Eigenschaften des SrTiO₃-Kristalls, wie seine Kristall­struktur und die Schwingungs­frequenzen, verändern. Daher kann das Standard-Phasendiagramm mit der neuen Dimension von Licht-Materie-Kopplung erweitert werden. Nun kann die Phase eines Materials nicht nur über Druck und Temperatur gesteuert werden, sondern auch über die Kopplung von Materie an Licht. „Unsere Entdeckung beruht auf der funda­mentalen quanten­mechanischen Natur von Materie und Licht und wie beide gemeinsam die Eigenschaften eines Materials verändern können", sagt Simone Latini, Postdoktorand am MPSD. „Diese Studie hat bereits eine Reihe von Kolleginnen und Kollegen auf der ganzen Welt motiviert, daran zu arbeiten, die Existenz des vorge­schlagenen Grundzustands experi­mentell nachzuweisen.“ Das Team ist nun auf der Suche nach dem nächsten Photo-Grundzustand, um weitere innovative Wege für die Steuerung von Material­eigenschaften in Hohlräumen zu erschließen.

MPSD / JOL

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