Korrelierte Festkörper unter der Lupe

Ein internationales Forscherteam des European XFEL hat gemeinsam mit Kollegen des Max-Born-Instituts in Berlin, der Universitäten Berlin und Hamburg, der Universität Tokio, des japanischen National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), der niederländischen Radboud University, des Imperial College London und des Hamburg Center for Ultrafast Imaging neue Ideen für die ultraschnelle multidimensionale Spektroskopie stark korrelierter Festkörper vorgestellt. 

„Stark korrelierte Festkörper sind komplexe und faszinierende Quantensysteme, in denen oft neue elektronische Zustände entstehen, insbesondere wenn sie mit Licht wechselwirken“, sagt Alexander Lichtenstein von der Universität Hamburg und dem European XFEL. Zu den stark korrelierten Materialien gehören unter anderem Hochtemperatur-Supraleiter, bestimmte Arten magnetischer Materialien und untereinander verdrillte Quantenmaterialien. Sie stellen nicht nur eine Herausforderung für unser grundlegendes Verständnis des Mikrokosmos dar, sondern bieten auch Möglichkeiten für viele aufregende Anwendungen, die von der Materialwissenschaft über die Informationsverarbeitung bis hin zur Medizin reichen: Supraleiter werden zum Beispiel in Kernspintomografen eingesetzt.

Aus diesem Grund ist das Verständnis des Zusammenspiels der verschiedenen elektronischen Zustände, die in stark korrelierten Materialien auftreten, sehr wichtig. Gleichzeitig stellen sie eine Herausforderung für unsere experimentellen und theoretischen Werkzeuge dar, da Umwandlungen zwischen diesen Zuständen häufig mit Phasenübergängen verbunden sind. Phasenübergänge sind Umwandlungen, die plötzlich und schnell auftreten können, insbesondere wenn das Material mit Licht wechselwirkt.

Wie sehen die Wege des Ladungs- und Energieflusses während eines solchen Übergangs aus? Wie schnell erfolgt er? Kann man ihn mit Licht steuern, um den Prozess zu gestalten? Und kann Licht das Material in einen Zustand bringen, in dem es sich unter den üblichen Umständen nicht befinden würde? Diese Fragen können mit leistungsstarken und empfindlichen Geräten wie dem Röntgenlaser am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg und modernen optischen Werkzeugen der Attosekundenforschung untersucht werden.

In ihrer Arbeit stellt das internationale Team nun einen völlig neuen Ansatz vor, der es ermöglicht, die ultraschnelle Ladungsbewegungen zu beobachten und zu entschlüsseln, die durch kurze Laserpulse in einem stark korrelierten System ausgelöst werden. Die Wissenschaftler haben eine neue Form der ultraschnellen mehrdimensionalen Spektroskopie entwickelt, in der sich mehrere Farben des Lichts zu einem ultrakurzen Laserpuls addieren. Die Spektroskopie im Subzyklusbereich zeigt das komplexe Wechselspiel zwischen den verschiedenen elektronischen Konfigurationen und dass ein Phasenübergang von einem metallischen in einen isolierenden Zustand in weniger als einer Femtosekunde stattfinden kann – also in weniger als einer Billiardstel Sekunde.

„Unsere Ergebnisse eröffnen einen Weg, ultraschnelle Prozesse in stark korrelierten Materialien zu untersuchen und gezielt zu beeinflussen“, sagt Olga Smirnova vom Max-Born-Institut und der TU Berlin, Preisträgerin des Mildred-Dresselhaus-Preises des Hamburger Zentrums für ultraschnelle Bildgebung. „Wir haben damit ein Schlüsselwerkzeug für den Zugang zu neuen ultraschnellen Phänomenen in korrelierten Festkörpern entwickelt, der über bisherige Methoden hinausgeht," so Smirnova weiter.

European XFEL / DE