Pikosekunden schnelle Zeitlupe belegt: Oxid-Materialien schalten deutlich schneller als Halbleiter
Ein optischer Laserblitz (rot) zerstört die elektronische Ordnung (blau) in Magnetit und schaltet den Zustand des Material innerhalb eines Billionstels einer Sekunde von isolierend zu leitend um. © Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory
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
- BESSY II: Heterostrukturen für die SpintronikSpintronische Bauelemente arbeiten mit magnetischen Strukturen, die durch quantenphysikalische Wechselwirkungen hervorgerufen werden. Nun hat eine Spanisch-Deutsche Kooperation Heterostrukturen aus Graphen-Kobalt-Iridium an BESSY II untersucht. Die Ergebnisse belegen, wie sich in diesen Heterostrukturen zwei erwünschte quantenphysikalische Effekte gegenseitig verstärken. Dies könnte zu neuen spintronischen Bauelementen aus solchen Heterostrukturen führen.
- Grüner Wasserstoff: MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung geeignetDie Materialklasse der MXene besitzt vielfältige Talente. Nun hat ein internationales Team um HZB-Chemikerin Michelle Browne gezeigt, dass MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der elektrolytischen Wasserspaltung geeignet sind. Dabei arbeiten sie stabiler und effizienter als die derzeit besten Metalloxid-Katalysatoren. Das Team hat die neuartigen Katalysatoren für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser nun umfassend an der Berliner Röntgenquelle BESSY II und am Synchrotron Soleil, Frankreich, charakterisiert.
- Internationale Expertise zur Augentumortherapie mit Protonenstrahlung erschienenEin Team aus führenden Expertinnen und Experten aus Medizinphysik, Physik und Strahlentherapie, zu dem auch die HZB-Physikerin Prof. Andrea Denker und der Charité-Medizinphysiker Dr. Jens Heufelder gehören, hat einen Übersichtsartikel zur Protonentherapie von Augentumoren veröffentlicht. Der Beitrag ist im Red Journal, einem der renommiertesten Fachjournale in diesem Bereich erschienen. Er stellt die Besonderheiten dieser Therapieform am Auge vor, erläutert den Stand der Technik und aktuelle Forschungsschwerpunkte, gibt Empfehlungen zur Durchführung der Bestrahlungen und einen Ausblick auf künftige Entwicklungen.