Künstlerische Darstellung des Phasendiagramms des Mott-Materials V2O3. Die Grafik zeigt seinen ursprünglichen isolierenden Zustand (in Blau), bevor es durch ultrakurze Laserpulse photoangeregt wird, und so in einen metallischen Zustand (in Gelb) übergeht, verursacht durch einen Verformungswellenmechanismus.
© Tatsuya Amano
Eine Entdeckung, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Physics, die zu bedeutenden Durchbrüchen in der Welt der ultraschnellen Elektronik führen könnte.
Was wäre, wenn es möglich wäre, die Natur eines Materials in einem Wimpernschlag zu ändern, es innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde von einem Isolator in ein Metall umzuwandeln? Dieser Geniestreich gelang Chemikern und Physikern des CNRS (Frankreich) und aus Japan im Rahmen des internationalen Forschungslabors DYNACOM. Dabei nutzten sie die außergewöhnlichen Eigenschaften eines sogenannten „Mott-Isolators“.
Die isolierende Eigenschaft dieser Materialien resultiert nicht aus dem Fehlen von Ladungsträgern, wie es bei konventionellen Isolatoren der Fall ist, sondern aus ihrer mangelnden Beweglichkeit aufgrund der repulsiven Wechselwirkungen zwischen den Elektronen. Obwohl sie theoretisch Leiter sein sollten, verhalten sich diese Materialien daher wie elektrische Isolatoren.
Vanadiumsesquioxid, V2O3, ist ein klassisches Beispiel eines Mott-Isolators. Wenn es abgekühlt wird, vollzieht es einen beeindruckenden Übergang zwischen zwei Zuständen: Bei Raumtemperatur ist es metallisch, während es bei niedriger Temperatur isolierend wird, da die Elektronen durch ihre Wechselwirkungen blockiert werden. Ein Team von französischen und japanischen Wissenschaftlern setzte extrem kurze Lichtimpulse (100 Femtosekunden, 1 fs = 10-15 s) ein, um einen ultraschnellen Übergang vom isolierenden zum metallischen Zustand in einem dünnen Film aus V2O3 auszulösen.
Schematische Darstellung des Mechanismus der ultraschnellen Phasenübergangsausbreitung mit Schallgeschwindigkeit.
Von links nach rechts: Initiale Photoanregung (a), die einen internen negativen Druck induziert (b), und die elektronische Umwandlung, die sich in der Folge der Druckwellenfront ausbreitet (c).
© Etienne Janod
Dieses Phänomen basiert auf der Ausbreitung von durch die Lichtimpulse erzeugten Verformungswellen, die sich mit Schallgeschwindigkeit durch das Material bewegen. Diese Wellen stören die Ordnung der Elektronen und Atome und bewirken so die Zustandsänderung. Faszinierend ist, dass dieser Prozess nicht thermischer Natur ist, sondern subtiler, indem er die Materialstruktur direkt verändert.
Dank zeitaufgelöster Experimente mit Röntgenbeugung und optischer Spektroskopie konnten die Wissenschaftler beobachten, dass diese Transformation durch den Übergang zu einer kristallinen Struktur mit einfacherer Symmetrie und einer Volumenverringerung gesteuert wird. Mit anderen Worten: Das Material wird erst dann leitfähig, wenn seine Struktur verändert wurde.
Die Perspektiven, die sich aus diesen Ergebnissen ergeben, sind zahlreich. Das Verständnis und die Kontrolle solcher ultraschnellen Übergänge könnten den Weg für Geräte ebnen, die zwischen verschiedenen Zuständen mit beispielloser Geschwindigkeit schalten können, mit potenziellen Anwendungen in der Informationsspeicherung und in der künstlichen Intelligenz basierend auf der Physik von Mott-Isolatoren.
Diese Studie enthüllt somit einen neuen Aspekt der Mott-Materialien und Phasenübergänge, bei denen elastische Wellen eine Schlüsselrolle bei der Veränderung der elektronischen Eigenschaften spielen. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature Physics nachzulesen.
Autor: AVR
Referenz
Propagation of insulator-to-metal transition driven by photoinduced strain waves in a Mott material.
T.Amano et al.
Nature Physics 2024
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02628-4