Vom Isolator zum Metall

In den letzten Jahrzehnten sind Computer immer schneller geworden und zugleich haben Fest­platten und Speicher­chips riesige Kapazitäten erreicht. Die Entwicklung kann aber nicht immer so weiter gehen: Schon heute zeichnen sich physikalische Grenzen ab, die eine weitere drastische Beschleunigung der auf Silizium basierenden Computer­technik unmöglich machen. Bei der Suche nach neu­artigen Materialien und Technologien für die Informations­verarbeitung versprechen sich Forscher insbesondere von der Kombination elektrischer und optischer Schalt­kreise ganz neue Impulse. Mit Hilfe ultra­kurzer Laser­pulse ist es nun einem Forscher­team um Misha Ivanov vom Max-Born-Institut in Berlin gemeinsam mit Wissenschaftlern des Russian Quantum Center bei Moskau gelungen, Licht auf die extrem schnellen Prozesse in solchen neu­artigen Materialien zu werfen.

Von besonderem Interesse für die moderne Material­forschung in der Fest­körper­physik sind „stark korrelierte Systeme”, bei denen sich die Elektronen im Material gegen­seitig beeinflussen, wie etwa bei Magneten. Hier richten sich die Elektronen im Material in einer bevorzugten Dreh­richtung aus. Es sind aber auch ganz andere Ordnungs­strukturen denkbar. Bei Mott-Isolatoren, die derzeit intensiv erforscht werden, sollten die Elektronen eigentlich frei fließen können und das Material elektrisch leitend sein wie ein Metall. Aufgrund der gegen­seitigen Wechsel­wirkungen in diesem stark korrelierten Material behindern sie sich aber gegen­seitig und das Material wird zum Isolator.

Wenn man diese Ordnung durch einen starken Laser­puls stört, ändern sich auch die physikalischen Eigenschaften dramatisch. So gewinnen die Elektronen in stark korrelierten Materialien Beweglichkeit, wenn ihre Ordnung durch externe Laser­pulse einen Phasen­übergang erfährt. Deshalb eröffnen solche Phasen­übergänge die Möglichkeit, ganz neue Schalt­elemente für die moderne Elektronik zu entwickeln, die schneller und vermutlich energie­effizienter als heutige Transistoren sind. Im Prinzip könnten Computer dank der Kombination von elektrischen Komponenten mit Licht­pulsen rund 1000-fach schneller werden.

Das Problem bei der Analyse solcher Phasen­übergänge: Sie finden extrem schnell statt und lassen sich deshalb nur schwer untersuchen. Bislang konnten Wissen­schaftler nur den Zustand des Materials vor und nach einem solchen Phasen­über­gang bestimmen. Die Forscher Rui E.F. Silva, Olga Smirnova und Misha Ivanov vom Max-Born-Institut haben nun aber eine Methode ersonnen, Licht auf diese Prozesse zu werfen: Laut ihrer Theorie kann man diese Materialien mit extrem kurzen, maß­geschneiderten Laser­pulsen bestrahlen, die in dieser Qualität erst jetzt verfügbar sind. Damit lässt sich als Reaktion des Materials auf diese Pulse beobachten, wie die Elektronen im Material zu Bewegungen angeregt werden und dabei Ober­schwingungen mit bestimmten Frequenzen aussenden, als hohe Harmonische des einfallenden Lichts.

„Wenn wir dieses hohe harmonische Spektrum analysieren, können wir erstmals die Änderung der Ordnungs­struktur in diesen stark korrelierten Materialien ‚live‘ beobachten”, sagt Erst­autor Rui Silva. Erst seit Kurzem gibt es Laser­quellen, die überhaupt in der Lage sind, diese Über­gänge gezielt auszulösen. Dazu müssen die Laser­pulse einer­seits stark genug sein – und anderer­seits extrem kurz und im Femto­sekunden­bereich liegen.

Teilweise reicht eine einzige Lichtschwingung, um die Ordnung der Elektronen im Material durch­einander­zuwirbeln und aus einem Isolator einen metall­artigen Leiter zu machen. „Wenn wir die Eigenschaften der Elektronen im Material mit Licht kontrollieren wollen, müssen wir genau verstehen, wie die Elektronen auf Licht­pulse reagieren”, erklärt Ivanov. Dank der neu­artigen Laser­quellen, bei denen sich sogar einzelne Schwingungen des elektro­magnetischen Feldes voll­ständig kontrollieren lassen, sind mit der nun publizierten Methode tiefe Einsichten in die Materialien der Zukunft möglich.

MBI / DE