Laserpuls macht Glas zum Metall

27.08.2014 - Österreich

Mit Laserpulsen kann man einem elektrisch isolierenden Material für winzige Sekundenbruchteile Eigenschaften eines Metalls verleihen - das zeigen Rechnungen der TU Wien. Damit könnte man Schaltungen bauen, die um Größenordnungen schneller getaktet sind als heutige Mikroelektronik.

Quarzglas leitet keinen Strom, es ist ein klassisches Beispiel für einen elektrischen Isolator. Doch mit ultrakurzen Laserpulsen ist es möglich, innerhalb von Femtosekunden (eine fs entspricht 10^-15 Sekunden) die elektronischen Eigenschaften von Glas völlig zu verändern. Ist der Laserpuls stark genug, können sich Elektronen im Material frei bewegen. Das Quarzglas verhält sich dann für einen winzigen Augenblick wie ein Metall, es leitet Strom und wird undurchsichtig. Dieser Wandel der Materialeigenschaften findet auf so kurzen Zeitskalen statt, dass man ihn für extrem schnelle lichtbasierte Elektronik nutzen könnte. Am Institut für Theoretische Physik der TU Wien konnte man diesen Effekt nun mit Hilfe von Computersimulationen erklären.

Wer kleine Dinge beobachten will, muss schnell sein

Ultrakurze Laserpulse mit einer Dauer im Bereich von wenigen Femtosekunden wurden in den letzten Jahren immer wieder dazu benutzt, quantenphysikalische Effekte in Atomen oder Molekülen zu untersuchen. Nun zeigt sich, dass solche Laserpulse auch dazu geeignet sind, Materialeigenschaften blitzschnell zu verändern. Im Experiment (am Max-Planck-Institut in Garching) hatte man festgestellt, dass elektrischer Strom durch Quarzglas fließt, während es vom Laserpuls getroffen wird. Nach dem Ende des Laserpulses kehrt das Material wieder in seinen Ausgangszustand zurück. Wie dieser merkwürdige Effekt genau abläuft, konnten Georg Wachter, Christoph Lemell und Prof. Joachim Burgdörfer von der TU Wien in Zusammenarbeit mit Forschern von der Tsukuba University in Japan nun erstmals berechnen.

Exotische Effekte im 2D-Elektronengas

Ein neues Material könnte die Tür zu einer neuen Art der Elektronik öffnen: Forschungsteams der TU Wien konnten in Strontium-Titanoxid ein stabiles zweidimensionales Elektronengas herstellen.

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Quantenphysikalisch betrachtet kann ein Elektron in einem Festkörper verschiedene Zustände einnehmen. Es gibt Zustände, in denen es fest an ein bestimmtes Atom gebunden ist, bei anderen Zuständen höherer Energie kann es sich zwischen den einzelnen Atomen frei bewegen. Das Elektron verhält sich ähnlich wie eine Kugel auf einer verbeulten Oberfläche: Wenn sie wenig Energie hat, bleibt sie in einem bestimmten Tal liegen. Verhilft man ihr mit einem kräftigen Kick zu mehr Energie, rollt sie frei herum.

„Der Laserpuls ist ein extrem starkes elektrisches Feld, das die Zustände der Elektronen im Quarz dramatisch verändert“, erklärt Georg Wachter. „Der Puls kann nicht nur Energie auf die Elektronen übertragen, er kann die gesamte Struktur der möglichen Elektronen-Zustände im Material verbiegen.“

Dadurch ist es möglich, dass ein Elektron, das sonst fest an ein Sauerstoff-Atom im Quarzglas gebunden ist, plötzlich zu einem anderen Atom überwechselt und sich ähnlich benimmt wie ein frei bewegliches Elektron in einem Metall. Hat es der Laserpuls erst einmal geschafft, Elektronen von den Atomen zu lösen, kann das elektrische Feld des Pulses die Elektronen gezielt in eine bestimmte Richtung treiben und Strom beginnt zu fließen. Bei sehr starken Laserpulsen hält dieser Stromfluss sogar noch für eine kurze Weile an, nachdem der Laserpuls schon wieder abgeklungen ist.

Mehrere Quanten-Prozesse auf einmal

„Die genaue Berechnung solcher Effekte ist sehr aufwändig, weil man viele Effekte gleichzeitig berücksichtigen muss“, sagt Prof. Burgdörfer. Die elektronische Struktur des Materials, die Wechselwirkung der Elektronen mit dem Laser, und auch die Wechselwirkung der Elektronen untereinander muss quantenphysikalisch berechnet werden - eine Aufgabe, die nur mit Supercomputern zu lösen ist. „In unserer Computersimulation können wir den zeitlichen Verlauf wie in Zeitlupe nachverfolgen und verstehen, was hier eigentlich geschieht“, erklärt Burgdörfer.

In den Transistoren, die heute verwendet werden, bewegen sich bei jedem Schaltvorgang eine große Zahl von Ladungsträgern bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand eingestellt hat. Dementsprechend braucht der Schaltvorgang eine gewisse Zeit. Beim vom Laserpuls ausgelösten blitzartigen Ändern der Materialeigenschaften ergibt sich eine neue Situation: der Schaltvorgang erfolgt durch die Änderung der Elektronenzustände und durch die Ionisation der Atome. „Das gehört zu den schnellsten Prozessen, die man in der Festkörperphysik kennt“, sagt Christoph Lemell. Transistoren arbeiten auf einer Zeitskala von einigen Pikosekunden (10^-12 Sekunden), mit Laserpulsen kann man Ströme mehr als tausend mal schneller schalten.

Die Berechnungen zeigten, dass die Kristallstruktur und die chemischen Bindungen im Material einen überraschend großen Einfluss auf den ultraschnellen Stromfluss haben. Es sollen daher nun Experimente mit unterschiedlichen weiteren Materialen folgen, um den Effekt noch besser nutzen zu können.

Originalveröffentlichung

Georg Wachter, Christoph Lemell, Joachim Burgdörfer, Shunsuke A. Sato, Xiao-Min Tong, Kazuhiro Yabana; Ab Initio Simulation of Electrical Currents Induced by Ultrafast Laser Excitation of Dielectric Materials; Phys. Rev. Lett. 113, 087401 (2014)

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