Metalloxide: Wie Lichtpulse Elektronen in Bewegung setzen

Wenn Nickeloxid (NiO) mit ultrakurzen UV-Lichtimpulsen angeregt wird, werden die Elektronenabstoßungen kurzzeitig schwächer, wodurch sich der Isolator eher wie ein Metall verhält. Um diesen Effekt zu erfassen, wurde das Material mit UV-Impulsen untersucht und die Absorption und Reflektivität gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Elektronenabstoßung mit Licht beeinflussen lässt.

Wenn Nickeloxid (NiO) mit ultrakurzen UV-Lichtimpulsen angeregt wird, werden die Elektronenabstoßungen kurzzeitig schwächer, wodurch sich der Isolator eher wie ein Metall verhält. Um diesen Effekt zu erfassen, wurde das Material mit UV-Impulsen untersucht und die Absorption und Reflektivität gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Elektronenabstoßung mit Licht beeinflussen lässt. © T. Rossi /HZB

Metalloxide kommen in der Natur reichlich vor und spielen eine zentrale Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und der Photovoltaik. In den meisten Metalloxiden ist jedoch aufgrund der starken Abstoßung zwischen Elektronen benachbarter Metallatome die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Ein Team am HZB hat nun zusammen mit Partnerinstitutionen gezeigt, dass Lichtimpulse diese Abstoßungskräfte vorübergehend schwächen können. Dadurch sinkt die Energie, die für die Elektronenbeweglichkeit erforderlich ist, so dass ein metallähnliches Verhalten entsteht. Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, Materialeigenschaften mit Licht zu manipulieren, und birgt ein hohes Potenzial für effizientere lichtbasierte Bauelemente.

In den meisten Metalloxiden verhalten sich Elektronen wie Autos im Stau: Starke Abstoßungskräfte hindern sie daran, sich in benachbarte Bereiche zu bewegen, die bereits von anderen Elektronen besetzt sind, und frieren sie sozusagen an Ort und Stelle ein. Materialien, die diesen Abstoßungskräften (oder Korrelationen) unterliegen, leiten Strom schlecht und zeigen beispielsweise bei der Umwandlung von Sonnenenergie eine schlechte Leistung.

Ein großes internationales Team hat nun gezeigt, dass ultrakurze Lichtimpulse von nur wenigen zehn Femtosekunden diese Abstoßungskräfte vorübergehend abschwächen können. Für einen kurzen Moment können sich die Elektronen mit geringerem Energieaufwand bewegen, wodurch sich das Material eher wie ein Metall verhält. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die auf Temperatur, Druck oder chemischen Veränderungen beruhen, um die Leitfähigkeit zu verändern, nutzt dieser Ansatz Licht, um denselben Effekt in ultrakurzen Zeiträumen zu erzielen.

Um diesen Effekt auf ultraschnellen Zeitskalen zu erfassen, hat sich das HZB-Team mit mehreren Partnern zusammengetan. Das Experiment fand am LACUS in Lausanne (Schweiz) statt, einem Zentrum, das sich auf die Untersuchung von ultraschnellen Prozessen spezialisiert hat, während die Probencharakterisierung, Datenanalyse und Simulationen am HZB durchgeführt wurden.

Das Team konzentrierte sich auf Nickeloxid (NiO), einen Ladungstransferisolator mit einer elektronischen Struktur, die der von Hochtemperatur-Supraleitern ähnelt. In NiO gelang ihnen eine beispiellose Kontrolle: Die Verringerung der Elektronenabstoßung ist linear zur Lichtintensität, hält Hunderte von Pikosekunden an und kehrt unabhängig von der Anregungsdichte im gleichen Tempo zum Gleichgewicht zurück. Insgesamt eröffnen diese Eigenschaften spannende neue Perspektiven für effizientere lichtbasierte Bauelemente und Technologien der nächsten Generation, die einen großen Dynamikbereich mit ultraschnellen Schaltgeschwindigkeiten kombinieren.

Partnereinrichtungen:

  • Max Planck Institute for the Structure and the Dynamics of Matter (Germany)
  • Helmholtz Center for Materials and Energy (Germany)
  • Elettra Synchrotron Trieste (Italy)
  • Paul Scherrer Institute (Switzerland)
  • University of Basel (Switzerland)
  • University of California Davis (USA)
  • Simons Foundation Flatiron Institute (USA)

Text: Thomas Rossi

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • HZB gratuliert Peter Hegemann zum Nobelpreis
    Nachricht
    14.10.2026
    HZB gratuliert Peter Hegemann zum Nobelpreis
    Unser herzlicher Glückwunsch geht an Peter Hegemann, Professor für Neurowissenschaften und für Experimentelle Biophysik an der Humboldt-Universität zu Berlin. Gemeinsam mit Prof. Georg Nagel (Julius-Maximilians-Universität Würzburg) und Prof. Karl Deisseroth (Stanford University, USA) hat er den Nobelpreis für Medizin oder Physiologie 2026 gewonnen. Wir freuen uns sehr für ihn, sein Team, die Humboldt-Universität und die gesamte Berliner Wissenschaft.
  • Wissenschaft in Berlin: Kooperativ, vielfältig, innovativ, international
    Nachricht
    12.10.2026
    Wissenschaft in Berlin: Kooperativ, vielfältig, innovativ, international
    Wissenschaft ist ein zentraler gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Faktor für Berlin. Sie schafft Arbeitsplätze und Wertschöpfung, zieht Talente aus aller Welt an und bereichert das Stadtleben durch offenen Wissensaustausch und Transfer. Eine Investition, die sich auszahlt. Damit Berlin auch in Zukunft zu den international führenden Wissenschaftsstandorten gehört, muss Wissenschaft noch stärker auf die politische Agenda. Dafür steht BR50: über 50 außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, darunter das HZB, bündeln in diesem Netzwerk ihre Kräfte. Mit einem Positionspapier wendet sich BR50 nach der Wahl in Berlin nun an die Politik, flankiert von der Kampagne „𝗪𝗶𝗿 𝗳𝗼𝗿𝘀𝗰𝗵𝗲𝗻 𝗳ü𝗿 𝗕𝗲𝗿𝗹𝗶𝗻.“ 
  • Gibt es eine Afrikanische Architektur?
    Interview
    08.10.2026
    Gibt es eine Afrikanische Architektur?
    Die weltweit erste Pan-African Biennale zu Architektur fand in diesem September in Nairobi, Kenia statt. Menschen aus Architektur, Kunst, Wissenschaft und Politik aus 54 afrikanischen Ländern und der Diaspora waren nach Nairobi gekommen, um sich dort auszutauschen: Zu traditionellen und aktuellen Bauweisen, Materialien, Erfahrungen und Projekten. Samira Aden hat diese Biennale als leitende Kuratorin mit organisiert. Wir haben mit ihr gesprochen.