Röntgenblitze erzeugen neue Materialien
Laser verwandelt Nichtleiter in Leiter – Material zeigt kurzzeitig kolossalen Magnetowiderstand.
Mithilfe kurzer Lichtblitze aus einem Laser lassen sich die Eigenschaften eines Materials kurzzeitig so deutlich verändert, dass ein neues Material entsteht. Das zeigen Experimente von Forschern des Paul Scherrer Instituts in der Schweiz am SLAC National Accelerator Laboratory in den USA. Um die Veränderungen zu beobachten, haben die Forscher sehr kurze Blitze des SLAC-Röntgenlasers LCLS verwendet. Die so gewonnenen Einblicke können bei der Entwicklung von Materialien für effizientere elektronische Geräte helfen. Ab 2016 sind am PSI ähnliche Experimente möglich, wenn dort der Röntgenlaser SwissFEL in Betrieb geht.
Abb.: Prinzip des beschriebenen Experiments: Anfangs treten die Manganatome in drei verschiedenen Zuständen auf, die verschiedenen Elektronenzuständen - Orbitalen - entsprechen (kugelförmig - gelb dargestellt - oder hantelförmig mit zwei verschiedenen Ausrichtungen - in grün). Ein Laserpuls ('pump') regt die Elektronen an. Ein Röntgenlaserpuls ('probe') untersucht die jeweiligen Zustände. (Bild: PSI)
Materialien haben deutlich unterschiedliche Eigenschaften: Zum Beispiel leiten die einen elektrischen Strom gut, während andere isolierend sind, die einen sind magnetisch, andere nicht. Über diese Eigenschaften bestimmt das Verhalten der Teilchen, aus denen das Material aufgebaut ist – unter anderem, wie Elektronen im Inneren des Materials angeordnet sind und ob sie sich bewegen können. Ändert sich die Bewegungsfreiheit der Elektronen, so ändern sich auch die Eigenschaften des Materials. In Zusammenarbeit mit einem internationalen Team haben die PSI-Forscher in einem Experiment an dem Material Pr0.5Ca0.5MnO3 den Elektronen mithilfe eines sehr kurzen Laserpulses zusätzliche Energie zugeführt. Während die Elektronen vorher alle fest an spezifische Atome gebunden waren, konnten sie nachher von Atom zu Atom hüpfen. Das Material wurde dadurch von einem Isolator zu einem Metall. „Wir haben damit ein neues Material geschaffen, das so in der Natur nicht vorkommt“, erklärt Urs Staub. „Dieses Material, also dieser neue Zustand, existiert nur während einer sehr, sehr kurzen Zeit. Die Zeit reicht aber aus, um seine Eigenschaften zu erforschen.“
Das untersuchte Material hat einen ähnlichen Aufbau wie Materialien, die für elektronische Geräte von Bedeutung sein könnten, weil sie etwa den kolossalen Magnetowiderstand zeigen. Dieser Effekt führt dazu, dass sich der elektrische Widerstand des Materials stark ändert, wenn man es in die Nähe eines Magneten bringt. Das könnte zum Beispiel für das Auslesen von Daten aus magnetischen Speichern wichtig sein. „Das Ergebnis hilft uns, grundsätzlich zu verstehen, wie sich solche Materialien verhalten“, erklärt Paul Beaud, der zusammen mit Staub das Experiment geleitet hat. „Damit kann man die Eigenschaften eines Materials gezielt verändern und somit neue Materialien entwickeln.“
PSI / RK
