Terahertzwellen kitzeln Moleküle

Resonante Anregungen von Gitterschwingungen in Manganiten steigern die Leitfähigkeit um ein Vielfaches.

Oxford (Großbritannien)/Berkeley (USA) – Hitze, einfallendes Licht, Druck oder Magnetfelder: Mit vielen Methoden lassen sich die elektronischen Eigenschaften von speziellen, kristallinen Materialien verändern. Zusätzlich klappt das nun auch durch die Anregung von Gitterschwingungen mit Terahertzwellen. Ein internationales Forscherteam zeigte, dass so die Leitfähigkeit von Manganit-Kristallen um mehrere Größenordnungen kurzzeitig erhöht werden kann. Über ihr Experiment berichten die britischen, amerikanischen und japanischen Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nature“.

„Wir konnten einen direkten Rückgang des elektrischen Widerstands um fünf Größenordnungen beobachten“, schreiben Matteo Rini von Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Kollegen von der University of Oxford und vom Correlated Electron Research Center (AIST) in Tsukuba. Für ihre Versuche wählten sie das Manganit Pr _0,7Ca _0,3MnO ₃. Hauchdünne Schnitte aus diesem Kristall mit Perovskit-Struktur wurden zur Vorbereitung der Messungen auf etwa minus 240 Grad Celsius abgekühlt. Danach schickten die Forscher auf diese Probe kurze Laserpulse (200–300 Femtosekunden) mit einer Frequenz von 17 Terahertz, entsprechend einer Wellenlänge von 17,5 Mikrometern. Nach jeder Anregung stieg die Leitfähigkeit des Kristalls für einige Nanosekunden um fünf Größenordnungen an. Parallel sackte die Reflektivität für Photonen (0,5–1,9 Elektronenvolt) stark ab.

In diesem Verhalten sehen die Forscher einen kurzfristigen Wechsel von einer isolierenden in eine elektrisch leitende Phase, die typisch für ein Metall ist. Die Ursache sehen sie in einer schnellen Umordnung der Kristallstruktur durch die gezielte resonante Anregung einer Mangan-Sauerstoff Schwingungsmode, genauer gesagt die Mn-O-Streckschwingung, deren Resonanz bei 17,5 Mikrometer bzw. 71 Millielektronenvolt liegt. „Unsere Ergebnisse zeigen klar, dass die resonante Anregung von Mangan-Sauerstoff Phononen-Schwingungen das System in eine metastabile, kurzlebige und hochleitfähige Phase bringen“, erklärt das Team.

Bemerkenswert an diesem Ergebnis ist, dass für die deutliche Änderung der elektronischen Eigenschaften keine elektronische Anregung wie bei anderen Materialien nötig ist. In weiteren Versuchen will das Team das gleiche Manganit noch genauer untersuchen und das Verhalten von Spin und Magnetisierung in Abhängigkeit von den Gitterschwingungen analysieren. Da die drastischen Änderungen in der Leitfähigkeit einen Übergang in einen metallischen Zustand nahe legen, erwarten sie für diese Materialeigenschaften ebenfalls sprunghafte Veränderungen.

Technische Anwendungen etwa mit Terahertz-kontrollierten Schaltkreisen sind allerdings nicht zu erwarten. Aber mit diesen Versuchen kann das Verhalten der vielseitigen Manganit-Kristalle besser verstanden werden. Neue Einblicke versprechen sich die Forscher bei der Untersuchung der komplexen Kristalle von Hochtemperatur-Supraleitern. Sie erwarten, dass sich auch bei diesen die elektronischen Eigenschaften durch resonante Anregungen von Gitterschwingungen deutlich ändern könnten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Matteo Rini et al., Control of the electronic phase of a manganite by mode-selective vibrational excitation, Nature 449, 72 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06119
• Lawrence Berkeley National Laboratory:
  http://www.lbl.gov
• Materials Sciences Division, LBL:
  http://www-msd.lbl.gov
• Department of Physics, Clarendon Laboratory, University of Oxford:
  http://www.physics.ox.ac.uk
• Correlated Electron Research Center, AIST, Tsukuba:
  http://unit.aist.go.jp/cerc/

Weitere Literatur:

• Kiriukhin, V. et al. An X-ray induced insulator–metal transition in a magnetoresistive manganite. Nature 386, 813–815 (1997).
• Tokura, Y. Colossal Magnetoresistive Oxides Ch. 1 (Gordon & Breach Science Publishers, Amsterdam, 2000).
• Ogawa, K. Wei, W. Miyano, K., Tomioka, Y. & Tokura, Y. Stability of a photoinduced insulator-metal transition in Pr0.7Ca0.3MnO3. Phys. Rev. B 57, R15033–R15036 (1998).