Belysning:Hurtig materialemanipulation gennem en laser

Forskere fra Fysisk-kemi-afdelingen ved Fritz Haber-instituttet og Max Planck-instituttet for materiens struktur og dynamik i Hamborg har fundet ud af, at ultrahurtige skift i materialeegenskaber kan fremkaldes af laserimpulser - og hvorfor. Denne viden kan muliggøre nye transistorkoncepter.

At gøre den elektroniske teknologis hastighed så hurtig som muligt er et centralt mål for moderne materialeforskning. Nøglekomponenterne i hurtige computerteknologier er transistorer:koblingsenheder, der tænder og slukker for elektriske strømme meget hurtigt som grundlæggende trin i logiske operationer. For at forbedre vores viden om ideelle transistormaterialer, fysikere forsøger konstant at bestemme nye metoder til at opnå sådanne ekstremt hurtige skift. Forskere fra Fritz Haber Institute of the Max Planck Society i Berlin og Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamborg har nu fundet ud af, at en ny type ultrahurtig switch kan opnås med lys.

Fysikerne, der er involveret i projektet, studerer, hvordan man bedst får materialer til at ændre deres egenskaber - at gøre magnetiske metaller ikke-magnetiske, for eksempel, eller for at ændre den elektriske ledningsevne af en krystal. Et materiales elektriske egenskaber er stærkt relateret til arrangementet af elektronerne i krystallen. Kontrol af elektronernes arrangement har været et nøgleemne i årtier. De fleste kontrolmetoder, imidlertid, er ret langsomme.

"Vi vidste, at ydre påvirkninger som temperatur- eller trykvariationer virker, " siger Dr. Ralph Ernstorfer, Gruppeleder ved Institut for Fysisk Kemi ved Fritz Haber Instituttet, "men det tager tid, mindst et par sekunder." De, der regelmæssigt bruger en smartphone eller computer, ved, at et par sekunder kan føles som en evighed. Så Dr. Ernstorfers gruppe undersøgte, hvordan man skifter materialeegenskaber meget hurtigere ved hjælp af lys.

Bruger helt nyt udstyr på Fritz Haber Institute, forskerne har massivt skåret omskiftningstiden ned til kun 100 femtosekunder ved at skyde ultrakorte optiske laserimpulser på deres valgte materiale, en semi-metallisk krystal sammensat af wolfram- og telluratomer. Skinnende lys på krystallen tilskynder den til at omorganisere sin interne elektroniske struktur, hvilket også ændrer krystallens ledningsevne. Ud over, forskerne var i stand til at observere præcis, hvordan dens elektroniske struktur ændrede sig.

"Vi brugte et nyt instrument til at tage billeder af overgangen hvert trin på vejen, " forklarer Dr. Samuel Beaulieu, som arbejdede som postdoc hos Ralph Ernstorfer ved Fritz-Haber-Institut (2018-2020), og som nu er fast forsker ved Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA) ved CNRS-Bordeaux University. "Dette er et fantastisk fremskridt - vi plejede kun at vide, hvordan den elektroniske struktur af materialet så ud efter, men aldrig under overgangen, " tilføjer han. Desuden, state-of-the-art modellering af denne nye proces af Dr. Nicolas Tancogne-Dejean, Dr. Michael Sentef, og prof. dr. Angel Rubio fra Max Planck Instituttet for materiens struktur og dynamik har afsløret oprindelsen af ​​denne nye type ultrahurtig elektronisk overgang. Laserpulsen, der rammer materialerne, ændrer den måde, elektroner interagerer med hinanden på. Det er drivkraften bag denne eksotiske overgang, kendt som en Lifshitz-overgang.

Denne metode er bundet til at generere en stor viden om mulige fremtidige transistormaterialer. Alene det faktum, at lys kan drive ultrahurtige elektroniske overgange, er et første skridt mod endnu hurtigere og mere effektiv teknologi.

Undersøgelsen er publiceret i Videnskabens fremskridt .