Forschung & Entwicklung

Wie Licht Elektronen in Übergangsmetallen steuert

Die Dynamik der lichtinduzierten Elektronenlokalisierung in Übergangsmetallen konnte auf der Attosekundenskala spektroskopisch enträtselt werden.

Ein internationales Wissenschaftlerteam untersuchte das kollektive Verhalten von Elektronen sowie die Wechselwirkung zwischen Lichtabsorption und elektronischer Abschirmung in den Übergangsmetallen Titan und Zirkonium mithilfe von Attosecond Transient Absorption Spectroscopy (ATAS) – einer schnellen Methode für die Beobachtung elektronischer Bewegungen. Übergangsmetalle wie diese sind wesentliche Bestandteile vieler Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften, wie zum Beispiel Supraleitern.

Die Forscher nutzten quantenmechanische Berechnungen auf Grundlage der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie für die Auswertung ihrer Ergebnisse und konnten so veranschaulichen, wie die Dynamik gepaarter Elektronen diese Systeme beeinflusst.

In Metallen ist ein Teil der Elektronen komplett von seinen Rumpfionen getrennt. Diese sogenannten freien Elektronen können sich in Festkörpern frei bewegen und geben dem Metall seine leitende Eigenschaft. Im Gegensatz zu diesen Elektronen sind jedoch andere, stark lokalisierte Elektronen an die Ionen von Übergangsmetallen gebunden. Sie werden in bestimmte Bereiche gezwungen, was zu einer abgegrenzten Elektronendichte und starker Elektronenpaarung führt. Diese Faktoren spielen eine wichtige Rolle in diversen Phasenzuständen, wie zum Beispiel der Hochtemperatursupraleitung, bei Phasen mit Ladungsdichtewellen sowie bei Metall-Isolator-Übergängen (den sogenannten Mott-Übergängen).

Solche Zustände ließen sich mit lichtkontrollierter Elektronenlokalisierung auf schnelle Weise erzeugen und steuern. Die einzige Einschränkung wäre der Zeitraum der Thermalisierung, währenddessen die Kontrollierbarkeit der Elektronen durch die Umgebung gestört wird.

Mithilfe von ATAS entdeckten die Wissenschaftler eine sehr schnelle Veränderung der optischen Absorption in Übergangsmetallen unter einem intensiven Attosekundenlaserpuls. Sie zeigten, dass die kurzlebige Absorption durch die vom Pump-Puls bewirkte schnelle d-Elektronen-Lokalisierung entsteht. Diese flüchtigen Absorptionsphänomene bleiben selbst dann bestehen, wenn experimentelle Parameter wie die Dicke der Probe, der Oxidationszustand ihrer Oberfläche oder die Photonenenergie des Pump-Pulses verändert werden.

Mit seinen Berechnungen zeigte das Team außerdem, dass die Attosekunden-Elektronenlokalisierung zu elektronischen Abschirmungseffekten im Subnanometerbereich führt. Daraus entsteht eine sehr schnelle Absorptionsrate. Das Team hat neue Wege für die schnelle Manipulation von Materiezuständen auf ihrer natürlichen Zeitskala aufgezeigt. Die Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Beitrag zur Erklärung der lichtinduzierten Elektronendynamik in Materie auf der Attosekundenskala. Sie bahnen den Weg für die Entwicklung zukünftiger optoelektronischer Geräte, energiesparender Elektronik, magnetischer Speicher, Spintronics und neuartiger Solarzellen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Volkov, S. Sato, F. Schlaepfer, L. Kasmi, N. Hartmann, M. Lucchini, L. Gallmann, A. Rubio, U. Keller, Attosecond screening dynamics mediated by electron localization in transition metals, Nat. Phys. (2019), DOI: 10.1038/s41567-019-0602-9]

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