In der Natur sind Metalloxide weit verbreitet und spielen eine wichtige Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und Photovoltaik. Ihre geringe elektrische Leitfähigkeit ist jedoch oft ein Hindernis. Ein Forschungsteam am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat jetzt in Zusammenarbeit mit Partnern herausgefunden, dass Lichtimpulse die abstoßenden Kräfte zwischen den Elektronen in Metalloxiden kurzzeitig schwächen können. Dieser Effekt verwandelt das Material vorübergehend in einen metallähnlichen Zustand.
In den meisten Metalloxiden verhalten sich die Elektronen wie Autos im Stau: Starke Abstoßungskräfte blockieren ihre Bewegung. Diese sogenannten Korrelationen machen die Materialien zu schlechten Stromleitern und verringern ihre Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenenergie. Die Forschenden konnten nun zeigen, dass ultrakurze Lichtimpulse von wenigen Dutzend Femtosekunden diese Abstoßungskräfte abschwächen. Für einen kurzen Moment können sich die Elektronen mit geringerem Energieaufwand bewegen, wodurch das Material metallische Eigenschaften annimmt. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden, die Temperatur, Druck oder chemische Veränderungen nutzen, erreicht dieser Ansatz den gleichen Effekt in ultrakurzen Zeiträumen und mit Licht.
Um diesen ultraschnellen Prozess zu untersuchen, führte das HZB-Team die Experimente am LACUS-Zentrum in Lausanne, Schweiz, durch. Die Probencharakterisierung, Datenanalyse und Simulationen erfolgten anschließend am HZB. Das Team konzentrierte sich auf Nickeloxid (NiO), ein Material, dessen elektronische Struktur jener von Hochtemperatur-Supraleitern ähnelt. Bei NiO gelang es den Wissenschaftlern, die Reduzierung der Elektronenabstoßung zu kontrollieren. Dieser Effekt ist linear zur Lichtintensität, hält Hunderte von Pikosekunden an und kehrt in einem konstanten Tempo zum Gleichgewicht zurück. Diese Eigenschaften eröffnen neue Perspektiven für effizientere lichtbasierte Bauelemente und zukünftige Technologien, die eine hohe Dynamik mit extrem schnellen Schaltgeschwindigkeiten kombinieren.
Quelle
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (09/2025)
Publikation
Dynamic control of electron correlations in photodoped charge-transfer insulators
Thomas C. Rossi, Nicolas Tancogne-Dejean, Malte Oppermann, Michael Porer, Arnaud Magrez, Rajesh V. Chopdekar, Yayoi Takamura, Urs Staub, Renske M. van der Veen, Angel Rubio, Majed Chergui
DOI: 10.1126/sciadv.adx5676 https://doi.org/10.1126/sciadv.adx5676