Schnelle Material-Manipulation per Laser

Ein zentrales Ziel der aktuellen Materialforschung ist es, die Geschwindigkeit elektronischer Technik so groß wie möglich zu machen. Die Schlüsselkomponenten schneller Rechentechnologien sind Transistoren: Schaltbauelemente, die elektrische Ströme als Grundschritte logischer Operationen sehr schnell ein- und ausschalten. Um das Wissen über ideale Transistormaterialien zu verbessern, suchen Forscher nach immer neuen Methoden, um solche extrem schnellen Schalter zu realisieren. Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts der MPG in Berlin und des MPI für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg haben jetzt herausgefunden, dass eine neue Art desultraschnellen Schaltens mit Licht realisiert werden kann.

Die Forscher untersuchen, wie man Materialien am besten dazu bringt, ihre Eigenschaften zu verändern – etwa um magnetische Metalle zu entmagnetisieren oder um die elektrische Leitfähigkeit eines Kristalls zu verändern. Die elektrischen Eigenschaften eines Materials hängen stark mit der Anordnung der Elektronen im Kristall zusammen. Die Kontrolle der Anordnung der Elektronen ist seit Jahrzehnten ein zentrales Thema. Die meisten dafür verwendeten Methoden sind jedoch recht träge. „Wir wussten, dass äußere Einflüsse wie Temperatur- oder Druckschwankungen funktionieren“, sagt Ralph Ernstorfer vom FHI. „aber das braucht Zeit, mindestens ein paar Sekunden." Die Gruppe von Ernstorfer hat deshalb erforscht, wie man mit Hilfe von Licht Materialeigenschaften viel schneller umschalten kann.

Mit einer neuen Anlage am FHI haben die Forscher die Schaltzeit auf nur hundert Femtosekunden verkürzt, indem sie ultrakurze optische Laserpulse auf das gewählte Material, einen halbmetallischen Kristall aus Wolfram- und Telluratomen, schossen. Durch die Bestrahlung des Kristalls wird dieser dazu angeregt, seine interne elektronische Struktur umzuorganisieren, wodurch sich auch die Leitfähigkeit des Kristalls ändert. Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler genau beobachten, wie sich seine elektronische Struktur verändert.

„Wir haben ein neues Instrument benutzt, um den Übergang Schritt für Schritt zu fotografieren“, erklärt Samuel Beaulieu vom FHI. „Das ist ein erstaunlicher Fortschritt - früher wussten wir nur, wie die elektronische Struktur des Materials danach aussieht, aber nie während des Übergangs.“ Darüber hinaus hat die Modellierung dieses neuen Prozesses mittels modernster Methoden am MPI für Struktur und Dynamik der Materie den Ursprung dieser neuartigen ultraschnellen elektronischen Übergänge enthüllt. Der auf die Materialien auftreffende Laserpuls verändert die Art und Weise, wie Elektronen miteinander wechselwirken. Das ist die treibende Kraft dieses exotischen Übergangs, der als Lifshitz-Übergang bekannt ist.

Mit dieser Methode lassen sich viele Erkenntnisse über mögliche zukünftige Transistormaterialien gewinnen. Allein die Tatsache, dass Licht ultraschnelle elektronische Übergänge antreiben kann, ist ein erster Schritt zu einer noch schnelleren und effizienteren Technologie.

FHI / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Beaulieu et al.: Ultrafast dynamical Lifshitz transition, Sci. Adv. 7, eabd9275 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abd9275
• Structural & Electronic Surface Dynamics (R. Ernstorfer), Abt. Physikalische Chemie, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
• Abt. Theorie (A. Rubio), Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg