In de afgelopen decennia, computers zijn sneller geworden en harde schijven en opslagchips hebben enorme capaciteiten bereikt. Maar deze trend kan niet eeuwig doorgaan. Fysieke beperkingen verhinderen op silicium gebaseerde computertechnologie om extra snelheidswinst te behalen. Onderzoekers zijn optimistisch dat het volgende tijdperk van technologische vooruitgang zal beginnen met de ontwikkeling van nieuwe informatieverwerkende materialen en technologieën die elektrische circuits combineren met optische circuits. Met behulp van korte laserpulsen, een onderzoeksteam onder leiding van Misha Ivanov van het Max Born Institute in Berlijn, samen met wetenschappers van het Russische Quantum Center in Moskou, heeft licht geworpen op de extreem snelle processen die plaatsvinden in deze nieuwe materialen. Hun resultaten verschijnen in Natuurfotonica .

Van bijzonder belang voor modern materiaalonderzoek in de vastestoffysica zijn sterk gecorreleerde systemen, die sterke interacties tussen elektronen vertonen. Magneten zijn een goed voorbeeld:de elektronen in magneten richten zich in een voorkeursrichting van spin in het materiaal, het opwekken van het magnetische veld. Maar er zijn andere, totaal verschillende structurele orden die aandacht verdienen. Bijvoorbeeld, in zogenaamde Mott-isolatoren, de elektronen moeten vrij kunnen stromen en de materialen moeten daarom zowel elektriciteit als metalen kunnen geleiden. Maar de onderlinge interactie tussen elektronen in deze sterk gecorreleerde materialen belemmert hun stroming, en dus gedragen de materialen zich in plaats daarvan als isolatoren.

Door deze orde te verstoren met een sterke laserpuls, de fysieke eigenschappen kunnen drastisch veranderen. Dit kan worden vergeleken met een faseovergang van vast naar vloeibaar - als ijs smelt, bijvoorbeeld, stijve ijskristallen veranderen in vrij stromende watermoleculen. Zeer vergelijkbaar, de elektronen in een sterk gecorreleerd materiaal worden vrij om te stromen wanneer een externe laserpuls een faseovergang in hun structurele volgorde forceert. Dergelijke faseovergangen moeten onderzoekers in staat stellen geheel nieuwe schakelelementen te ontwikkelen voor elektronica van de volgende generatie die sneller en potentieel energiezuiniger zijn dan de huidige transistors. In theorie, computers zouden ongeveer 1000 keer sneller kunnen worden gemaakt door hun elektrische componenten te "turboladen" met lichtpulsen.

Het probleem met het bestuderen van deze faseovergangen is dat ze extreem snel zijn, en het is daarom erg moeilijk om ze op heterdaad te betrappen. Wetenschappers hebben zich moeten tevredenstellen met het karakteriseren van de toestand van een materiaal voor en na een dergelijke faseovergang. Echter, onderzoekers Rui E.F. Silva, Olga Smirnova, en Misha Ivanov van het Berlin Max Born Institute hebben nu een methode bedacht die, in de ware zin, licht op het proces werpen. Hun theorie houdt in dat er extreem kort, laserpulsen op maat bij een materiaal - pulsen nu alleen mogelijk in de juiste kwaliteit via de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van lasers. Ze observeerden de reactie van het materiaal op deze pulsen om te zien hoe de elektronen in het materiaal in beweging worden gebracht. en, als een bel, zenden resonante trillingen uit op specifieke frequenties als harmonischen van het invallende licht.

"Door dit hoge harmonische spectrum te analyseren, we kunnen de verandering in de structurele volgorde in deze sterk gecorreleerde materialen voor het eerst live waarnemen, ", zegt eerste auteur Rui Silva van het Max Born Institute. Laserbronnen die deze overgangen precies kunnen triggeren, zijn recente ontwikkelingen. De laserpulsen moeten voldoende sterk en extreem kort zijn - in de orde van femtoseconden in duur (miljoensten van een miljardste van een tweede).

In sommige gevallen, er is slechts een enkele lichttrilling nodig om de elektronische orde van een materiaal te verstoren en een isolator in een metaalachtige geleider te veranderen. De wetenschappers van het Berlin Max Born Institute behoren tot 's werelds toonaangevende experts op het gebied van ultrakorte laserpulsen. "Als we licht willen gebruiken om de eigenschappen van elektronen in een materiaal te controleren, dan moeten we precies weten hoe de elektronen zullen reageren op lichtpulsen, " Ivanov legt uit. Met de nieuwste generatie laserbronnen, die volledige controle over het elektromagnetische veld mogelijk maken, zelfs tot een enkele trilling, de nieuw gepubliceerde methode zal diepe inzichten in de materialen van de toekomst mogelijk maken.