Onderzoekers van de afdeling Fysische Chemie van het Fritz Haber Instituut en het Max Planck Instituut voor de Structuur en Dynamiek van Materie in Hamburg hebben ontdekt dat ultrasnelle veranderingen in materiaaleigenschappen kunnen worden veroorzaakt door laserpulsen - en waarom. Deze kennis kan nieuwe transistorconcepten mogelijk maken.

De snelheid van elektronische technologie zo snel mogelijk maken is een centraal doel van hedendaags materiaalonderzoek. De belangrijkste componenten van snelle computertechnologieën zijn transistors:schakelapparaten die elektrische stromen zeer snel in- en uitschakelen als basisstappen van logische bewerkingen. Om onze kennis over ideale transistormaterialen te verbeteren, natuurkundigen proberen voortdurend nieuwe methoden te vinden om zulke extreem snelle omschakelingen te realiseren. Onderzoekers van het Fritz Haber Institute van de Max Planck Society in Berlijn en het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg hebben nu ontdekt dat een nieuw type ultrasnelle schakelaar kan worden bereikt met licht.

De fysici die bij het project betrokken zijn, onderzoeken hoe ze materialen het beste hun eigenschappen kunnen laten veranderen - om magnetische metalen niet-magnetisch te maken, bijvoorbeeld, of om de elektrische geleidbaarheid van een kristal te veranderen. De elektrische eigenschappen van een materiaal zijn sterk gerelateerd aan de rangschikking van de elektronen in het kristal. Het beheersen van de opstelling van de elektronen is al tientallen jaren een belangrijk onderwerp. De meeste controlemethoden, echter, zijn redelijk traag.

"We wisten dat externe invloeden zoals temperatuur- of drukvariaties werken, " zegt dr. Ralph Ernstorfer, Groepsleider bij de afdeling Fysische Chemie van het Fritz Haber Instituut, "maar dat kost tijd, minstens een paar seconden." Wie regelmatig een smartphone of computer gebruikt, weet dat een paar seconden als een eeuwigheid kunnen voelen. Dus onderzocht de groep van Dr. Ernstorfer hoe je materiaaleigenschappen veel sneller kunt veranderen door middel van licht.

Met behulp van gloednieuwe apparatuur in het Fritz Haber Instituut, de onderzoekers hebben de schakeltijd enorm teruggebracht tot slechts 100 femtoseconden door ultrakorte optische laserpulsen op het door hen gekozen materiaal te schieten, een semi-metaalkristal samengesteld uit wolfraam- en telluuratomen. Het schijnen van licht op het kristal moedigt het aan om zijn interne elektronische structuur te reorganiseren, die ook de geleidbaarheid van het kristal verandert. In aanvulling, de wetenschappers konden precies observeren hoe de elektronische structuur veranderde.

"We gebruikten een nieuw instrument om foto's te maken van de overgang bij elke stap, " legt Dr. Samuel Beaulieu uit, die als postdoctoraal onderzoeker werkte bij Ralph Ernstorfer aan het Fritz-Haber-Institut (2018-2020) en nu vast onderzoeker is bij het Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA) aan de CNRS-Bordeaux University. "Dit is een verbazingwekkende vooruitgang - we wisten vroeger alleen hoe de elektronische structuur van het materiaal eruitzag, maar nooit tijdens de overgang, " voegt hij eraan toe. Bovendien, state-of-the-art modellering van dit nieuwe proces door Dr. Nicolas Tancogne-Dejean, Dr. Michael Sentef, en Prof. Dr. Angel Rubio van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter heeft de oorsprong van dit nieuwe type ultrasnelle elektronische overgang onthuld. De laserpuls die op de materialen valt, verandert de manier waarop elektronen met elkaar omgaan. Dat is de drijvende kracht achter deze exotische transitie, bekend als een Lifshitz-overgang.

Deze methode zal ongetwijfeld veel kennis opleveren over mogelijke toekomstige transistormaterialen. Alleen al het feit dat licht ultrasnelle elektronische overgangen kan aansturen, is een eerste stap naar nog snellere en efficiëntere technologie.

De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .