08.01.2021

Induzierte Transparenz

Infrarot-Laserpulse können Transparenz von Kristallen extrem schnell steuern.

Alle photo­elektronischen Geräte funktionieren auf der Grundlage, dass die Materialien in ihnen Licht absorbieren, übertragen und reflektieren. Das Verständnis der Photo­eigenschaften eines bestimmten Materials auf atomarer Ebene hilft nicht nur bei der Auswahl geeigneter Materialien für eine bestimmte Anwendung, sondern ermöglicht auch die gezielte Steuerung dieser Eigenschaften. Nun haben Forscher aus Italien, Deutschland und den Vereinigten Staaten gezeigt, dass das Kicken der Atome in einem CuGeO₃-Kristall mit einem Infrarot-Laserpuls das Material nicht nur transparent macht, sondern dass die Transparenz auf einer ultraschnellen Femto­sekunden-Skala gesteuert werden kann. Dieses Ergebnis ebnet den Weg für die weitere Anwendung des Atom­kicking-Schemas, um andere Phänomene wie etwa die Supraleitung zu verbessern.

Abb.: Illustration der schwingung­sinduzierten Transparenz in...
Abb.: Illustration der schwingung­sinduzierten Transparenz in Kupfer­germanium­oxid. (Bild: U. Trieste / INSRL)

Das Design komplexer Materialien mit neuen Funk­tionalitäten ergibt sich oft aus dem Zusammenspiel verschiedener Materie­komponenten, wie den Elektronen und Kristall­schwingungen, den Phononen. Die Kopplung zwischen diesen Materie­komponenten kann inkohärenter oder kohärenter Natur sein. Während ersteres in der Regel durch die temperatur­bedingten Kern­fluktuationen zustande kommt, wird letzteres erreicht, wenn sich die Kristall­schwingungen und die elektronischen Anregungen mit gleicher Frequenz und konstanter Phasendifferenz im Material ausbreiten.

Hier nutzen die Forscher die resonante Schwingungs­anregung, um das Kristallfeld um die Cu²⁺-Ionen in einem CuGeO₃-Kristall kohärent zu steuern. Dieses Material ist vor allem aus zwei Gründen ideal: Die Phononen können selektiv durch Laserpumpen im mittleren Infrarot angeregt werden und die drei charak­teristischen d-d-Elektronenübergänge bei hoher Energie (etwa 1,7 eV) sind von anderen spektralen Merkmalen, die die Elektron-Phonon-Kopplung stören könnten, isoliert.

Insbesondere die resonante Anregung IR-aktiver Phononen­moden, die nichtlinear an Raman-aktive Phononenmoden gekoppelt sind, führt zu einer kohärenten Schwingungs­bewegung des apikalen Sauerstoffs, die die Energie und Oszillatorstärke des Orbitalübergangs zwischen verschiedenen Kristallniveaus an Cu²⁺-Ionen dynamisch kontrolliert. Durch die Kontrolle der Parameter der Phononen­pumpschemata ist es dann möglich, eine Transparenz im Energiefenster der d-d-elektronischen Übergänge zu erreichen. „Es ist faszinierend, wie unterschiedliche Materie­anregungen aus völlig verschiedenen Energie­bereichen kohärent interagieren und die makro­skopischen Eigenschaften eines Kristalls beeinflussen können“, sagt Simone Latini, Post-Doc am MPSD. „Wir untersuchen derzeit, ob ein ähnliches Phänomen auch anderswo zu beobachten ist, und wir haben Hinweise, dass es in zwei­dimensionalen Materialien wie WS₂ vorhanden sein könnte.“

„Diese Studie zeigt, wie weit wir experimentell in Bezug auf die Kontrolle von Materie mit ultrakurzen Lichtpulsen gekommen sind“, sagt Alexandre Marciniak. „Es ist in der Tat bemerkenswert, wie wir die engen mikro­skopischen Beziehungen zwischen Anregungen in einem Material enthüllen können und wie dieses Verständnis dabei helfen wird, funktionale Geräte herzu­stellen, die bei Bedarf transparent werden können.“ Das Projekt wurde im Q4Q-Labor unter der Leitung von Daniele Fausti von der Universität Triest beim Elettra-Sincro­trone Trieste durchgeführt. Das theoretische Modell wurde in der Gruppe von Fabio Benatti an der Universität Triest entwickelt, in Zusammenarbeit mit Forschern aus der Gruppe von Ángel Rubio am MPSD und Jeroen van den Brink am IFW / Institut für Theoretische Physik in Dresden.

MPSD / JOL

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