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. © 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)
- Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-VerwertungDurch Elektrolyse lässt sich CO2 zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für weitere chemische Produkte wie beispielsweise Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln systematisch untersucht und dabei sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert. Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.
- BESSY II: Erster Film von Spinwellen im Nano-OszillatorSpin-Hall-Nano-Oszillatoren sind winzige Bauelemente auf Basis von ultradünnen CoFeB-Schichten. Sie wandeln Gleichstrom in Mikrowellensignale um und gelten als Option für eine besonders effiziente drahtlose Kommunikation oder für eine neue Technologie der Datenverarbeitung, die vom Gehirn inspiriert ist. Ein schwedisch-deutsches Team konnte nun an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Inneren eines solchen Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden, sozusagen filmen. Dazu nutzten sie die zeitaufgelöste Röntgen-Rastertransmissionsmikroskopie am MAXYMUS-Instrument. Die Abbildungen zeigen Merkmale von Spinwellen, die in den bisherigen indirekten Messverfahren nicht sichtbar waren. Die Studie ist in „Advanced Materials“ veröffentlicht.
- Gemeinsame Power statt doppelter Strukturen:Die Berliner Wissenschaft treibt ihre Forschungsexzellenz durch den Aufbau einer leistungsfähigen, institutionenübergreifend nutzbaren Daten- und KI-Infrastruktur weiter voran. Mit einer am 18. September 2026 unterzeichneten gemeinsamen Vereinbarung ebnen die Berlin University Alliance (BUA), das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und das Zuse-Institut Berlin (ZIB) den Weg für ein gemeinsames Data-Science- und KI-Zentrum in Berlin-Dahlem und Adlershof.