Lichtschalter für Elektronen

Mit UV-Licht lässt sich an der Grenzfläche zweier Oxidmaterialien ein extrem leitfähiger Zustand gezielt ein- und ausschalten – und das in Sekundenschnelle. Dieser neu entdeckte „Lichtschalter für Elektronen“ markiert einen Meilenstein auf dem Weg zu lichtgesteuerter Elektronik und könnte künftig auch in der Supraleitung Anwendung finden. Teil des internationalen Teams sind die theoretische Physikerin Rossitza Pentcheva von der Universität Duisburg-Essen und ihr ehemaliger Mitarbeiter Benjamin Geisler, der jetzt an der University of Florida arbeitet.

„Der Clou unserer Arbeit ist, dass sich ein außer­gewöhn­lich leit­fähiger Zustand allein mit Licht ein- und aus­schal­ten lässt – fast wie mit einem Schal­ter“, sagt Prof. Pen­tche­va. „Damit eröff­nen sich auch neue Mög­lich­keiten, die Supra­leitung in Nickelaten künf­tig gezielt durch ultra­schnelle Licht­impulse zu beein­flus­sen.“

Im Mittelpunkt der Studie steht NdNiO₂, ein Ver­tre­ter der infinite-layer-Nickelate. Diese Material­klasse ähnelt den Kupfer­oxid-Hoch­tempe­ratur­supra­leitern und hat in den letzten Jahren an Bedeu­tung gewon­nen, da sie unter bestimm­ten Beding­ungen selbst supra­leitend werden kann.

Geisler und Pen­tcheva hatten bereits 2020 vorher­gesagt, dass sich an der Grenz­fläche zwischen dem Nickelat NdNiO₂ und dem Isola­tor Stron­tium­titanat (SrTiO₃) ein zwei­dimen­sio­nales Elek­tronen­gas bilden könnte. Solche Zustände gelten als Schlüssel für künftige Entwick­lungen in der Nano­elektronik, Spin­tronik und Quanten­infor­mation. In bishe­rigen Experi­menten blieb das Elek­tronen­gas jedoch aus, weil sich die Atome an der Grenz­fläche stärker ver­misch­ten als erwar­tet – wie eine frühere gemein­same Arbeit der Univer­sitäten Cor­nell, Stan­ford und Duisburg-Essen bereits 2023 gezeigt hatte.

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Nun nutzte das inter­nationale Forschungs­team gezielt Licht als Stimulus: In den Experi­menten bestrahl­ten sie die Grenz­fläche mit ultra­violet­tem Licht und maßen gleich­zeitig die elek­trische Leit­fähig­keit. Paral­lel dazu führten Geisler und Pen­tcheva auf dem Super­computer der UDE quanten­mechani­sche Simula­tionen durch, mit denen sich das Ver­halten der Elek­tronen präzise beschreiben ließ.

„Wird das Licht einge­schaltet, verändert sich das Material schlag­artig: Der elek­trische Wider­stand sinkt um bis zu ein Hundert­tausend­faches – die Probe leitet plötzlich rund 100.000-mal besser“, erklärt Pentcheva. Möglich macht das ein winziges elek­trisches Feld an der Grenz­fläche, das die durch UV-Licht frei­gesetzten Elek­tronen wie auf einer unsicht­baren Schiene in einer hauch­dünnen Schicht sammelt. Dort können sie sich besonders leicht bewegen und bilden das leit­fähige Elek­tronen­gas. Sobald das Licht ausge­schaltet wird, ver­schwindet dieser Zustand wieder voll­ständig – das Mate­rial kehrt in seinen Ausgangs­zustand zurück. [UDE / dre]