Hochbegabungspresse
Ein internationales Forscherteam
unter maßgeblicher Beteiligung von Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrum
Berlin (HZB) beobachtet den Schaltprozess zwischen nichtleitendem und leitendem
Zustand in Eisenoxid (Magnetit) mit bislang unerreichter Präzision. In der
aktuellen online-vorab-Ausgabe der Zeitschrift Nature Materials (DOI:
10.1038/NMAT3718) beschreiben sie, dass der Schaltprozess in einem Oxid in zwei
Stufen abläuft und mehrere tausend Mal schneller ist als in heute üblichen
Transistoren.
Materialien, die sich so verändern
können, dass sie sowohl leitend als auch isolierend sein können, gelten als
geeignet für elektronische Bauteile der Zukunft – zum Beispiel für
Transistoren. Das Eisenoxid Magnetit ist der bekannteste Vertreter dieser
Materialklasse. Bei tiefen Temperaturen hat es isolierende Eigenschaften. Bei
höheren Temperaturen wird es leitend. Dieser Umschaltvorgang verläuft jedoch so
schnell, dass man ihn auf atomarer Ebene bislang nicht verstehen konnte.
Ein internationales Forscherteam hat
es nun mit einem Experiment an der amerikanischen Quelle für ultrakurze
Röntgenblitze LCLS am Nationallabor SLAC geschafft, den Schaltvorgang in einer
Art kürzest möglicher Zeitlupe einzufrieren. So konnten sie nachweisen, dass
der Übergang in zwei Stufen verläuft. „In einem ersten Schritt entstehen in dem
isolierenden Material leitende Inseln. Dann dauert es weniger als eine
Pikosekunde (ein Billionstel einer Sekunde), bis die Atome sich umorganisieren
und ein komplettes Metallgitter entsteht“, erläutert Christian
Schüßler-Langeheine vom Helmholtz-Zentrum Berlin.
Am Elektronenspeicherring BESSY II,
den das HZB betreibt, hat die Gruppe um Schüßler-Langeheine die für das
Experiment bei SLAC erforderlichen Vorarbeiten durchgeführt. Mit den so
gewonnenen Informationen konnte dann das Experiment bei SLAC konzipiert und
erfolgreich durchgeführt werden.
In dem Experiment in Kalifornien
wurde Magnetit auf minus 190 Grad gekühlt. Dann wurde es mit
Infrarot-Laserlicht beschossen. Die Energiezufuhr löst den Schaltprozess aus.
Kurze Zeit später folgt ein Röntgen-Laserpuls, mit dem die Forscher den
Schaltprozess wie mit einer Stroboskoplampe beobachten. Solche zeitaufgelösten
Messungen im Pikosekunden-Abstand sind nur an ganz wenigen Photonenquellen in
der Welt möglich.
„Am HZB forschen wir an Materialien
für eine schnellere und energieeffizientere Elektronik“, sagt Christian
Schüßler-Langeheine. „In diesem Experiment haben wir gesehen, wie extrem
schnell ein Schalter aus einem Oxid-Material wie Magnetit sein kann. Oxide sind
somit eine spannende Alternative zu den heute gängigen Halbleitern.
Insbesondere solche Materialien, die Metall-Isolator-Übergänge auch bei
Raumtemperatur zeigen.“
An dem Forschungsprojekt waren
Kollegen von SLAC und Stanford University, CFEL und Uni Hamburg, den
Universitäten in Amsterdam, Köln, Potsdam, Regensburg, des MPI CPfS in Dresden,
der Europäischen Quellen für Röntgenpulse ELETTRA in Trieste und XFEL in Hamburg,
der Advanced Light Source in Berkely und dem Schweizer Paul Scherrer Institut
beteiligt. Die Proben wurden an der Purdue Universität präpariert.
Link zur SLAC-Pressemitteilung
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