Licht schaltet räumlich präzise zwischen elektronischen Zuständen
Forschenden aus Göttingen und Marburg ist es gelungen, mithilfe von Licht ganz gezielt den elektronischen Zustand eines Materials zu verändern. Ihre Ergebnisse zeigen, wie ultrakurze Lichtpulse nanoskalige Bereiche eines Materials zwischen isolierenden und metallischen Zuständen umschalten können – präzise und ohne größere Wärmeeinwirkung.
Manche Materialien können je nach Temperatur Metall oder Isolator sein.
Forschenden gelang es, elektronische Phasen in kleinsten Bereichen eines Materials durch Lichtpolarisation zu steuern.
Die Technologie verspricht Innovationen für neuartige elektronische Schaltungen.
Manche Materialien sind Metalle, andere Isolatoren und wieder andere können, je nach Temperatur, das eine oder das andere sein. Wenn der Übergang zwischen diesen Zuständen sensitiv von lokalen Inhomogenitäten abhängt, so existieren sie oft räumlich parallel in kleinsten Domänen. Obwohl diese Koexistenz oft die elektronischen Eigenschaften bestimmt, war es bisher nicht möglich, sie kontrolliert zu erzeugen. Dass sich Licht dazu eignet, zwischen den Zuständen Isolator und Metall zu schalten, war bereits bekannt. Einem Team vom Max-Planck-Institut (MPI) für Multidisziplinäre Naturwissenschaften, der Universität Göttingen und der Universität Marburg ist es nun jedoch gelungen, diese Zustände räumlich selektiv zu steuern. Ihre Erkenntnisse haben die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Für ihre Experimente nutzten die Forschenden Indium-Nanodrähte auf einer Siliziumoberfläche. In der Modellstruktur können Elektronen entlang der atomaren Drähte frei fließen, senkrecht dazu aber nicht. „Zunächst haben wir untersucht, wie die Wellenlänge und Polarisation von Licht das Material beeinflusst,“ erzählt Hannes Böckmann, Postdoktorand in der Abteilung Ultraschnelle Dynamik von Claus Ropers am MPI für Multidisziplinäre Naturwissenschaften und Erstautor der Studie. „Dann haben wir realisiert, dass es bestimmte Kombinationen erlauben, Nanodrähte in verschiedenen Ausrichtungen selektiv anzusprechen.“
Der Clou: Statt das gesamte Material mit starker Strahlung aufzuheizen und so global zu schalten, haben die Forschenden gezielt nur einen ganz bestimmten Teil der Elektronen entlang der Atomketten angeregt. Das ermöglicht eine hohe räumliche Kontrolle nanoskaliger Bereiche unterschiedlicher Orientierung. „Wir konnten zeigen, dass sich elektronische Phasen mit Licht gezielt gestalten lassen“, sagt Böckmann und unterstreicht: „Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten für zukünftige Bauelemente, in denen Lichtpolarisation die elektronischen Eigenschaften eines Materials steuert.“ Langfristig könne diese Technologie dazu beitragen, neuartige elektronische Schaltungen zu entwickeln, deren Funktionalität durch Licht manipuliert werden kann. (hb)
