Lasertechnologie Forscher erzeugen neues Material mittels Lichtblitzen

In der 'Laserhütte' des FEMTO-Experiments, an dem schon heute am PSI mit kurzen Röntgenpulsen experimentiert wird. Im Bild die Forscher Paul Beaud (links) und Urs Staub.
In der 'Laserhütte' des FEMTO-Experiments, an dem schon heute am PSI mit kurzen Röntgenpulsen experimentiert wird. Im Bild die Forscher Paul Beaud (links) und Urs Staub.

Forscher am Paul Scherrer Institut haben mithilfe kurzer Lichtblitze aus einem Laser die Eigenschaften eines Materials kurzzeitig so deutlich verändert, dass gewissermaßen ein neues Material entstanden ist. Dieses könnte künftig die Basis für effizientere elektronische Geräte sein.

Materialien können deutlich unterschiedliche Eigenschaften haben. Zum Beispiel leiten die einen elektrischen Strom gut, während andere isolierend sind, die einen sind magnetisch, andere nicht. Diese Eigenschaften werden davon bestimmt, wie sich die Teilchen verhalten, aus denen das Material aufgebaut ist – unter anderem davon, wie Elektronen im Inneren des Materials angeordnet sind und ob sie sich bewegen können. Ändert man die Bewegungsfreiheit der Elektronen, kann man auch die Eigenschaften des Materials ändern.

Vom Isolator zum Metall

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der ETH Zürich, der Universität Tokio und des Forschungslabors SLAC in Stanford (Kalifornien), haben Forschende des PSI 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 gewissermaßen von einem Isolator zu einem Metall.

»Wir haben damit praktisch ein neues Material geschaffen, das so in der Natur nicht vorkommt«, erklärt Urs Staub, Physiker am PSI. »Dieses Material, also dieser neue Zustand, existiert nur während einer sehr, sehr kurzen Zeit. Die Zeit reicht aber aus, um seine Eigenschaften zu erforschen.«

Kurze Belichtungszeit am Röntgenlaser

Untersucht wurde der neue Zustand am Röntgenlaser LCLS, der von SLAC in Kalifornien betrieben wird. Die Anlage erzeugt sehr kurze und intensive Blitze aus Röntgenlicht, mit denen man die Vorgänge im Inneren des Materials sichtbar machen kann. Weil sich der Zustand schnell verändert, ist es wichtig, dass die Blitze kurz sind, so dass die Bilder nicht verwackeln. Die Forscher haben das Experiment viele Male wiederholt und dabei den Zeitabstand zwischen dem Laser- und Röntgenpuls variiert. So konnten sie bestimmen, wie sich der innere Zustand des Materials auf einer ultraschnellen Zeitskala verändert.
Materialien verstehen

Das untersuchte Material hat einen ähnlichen Aufbau wie Materialien, die für elektronische Geräte von Bedeutung sein könnten, weil sie etwa den so genannten 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, Physiker am PSI, der zusammen mit Staub das Experiment geleitet hat. »Damit kann man die Eigenschaften eines Materials gezielt verändern und somit neue Materialien entwickeln.«