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)
- Kühlung von Impfstoffen im ländlichen Kenia: Solarlösung ausgezeichnetIm Mai ist Tabitha Awuor Amollo zu Gast am HZB und analysiert Perowskit-Solarzellen an BESSY II. Die kenianische Physikerin von der Egerton University in Nairobi wurde kürzlich für ihre Leistungen in Forschung und Lehre mit einem außerordentlichen Preis gewürdigt. Für die Entwicklung eines solarbetriebenen Kühlsystems, das in ländlichen Gesundheitszentren eingesetzt werden kann, erhielt sie den „2026 Organization for Women in Science for the Developing World (OWSD)–Elsevier Foundation Award“. Im Interview mit Antonia Rötger spricht sie über dieses außergewöhnliche Projekt, aber auch über die Schwierigkeiten, ein Labor am Laufen zu halten.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.