Extrem schneller Lichtschalter auf DVD

Vagabundierende Bindungselektronen wechseln Zustand

Weil der Strukturwandel so schnell vonstatten gehen müsste, verglichen ihn manche Wissenschaftler mit dem Umklappen eines Regenschirmes, und zwar von der regelmäßigen kristallinen zu der unregelmäßigen amorphen Anordnung. Zwar wechselt die Struktur von GST tatsächlich zwischen diesen zwei Formen, aber nicht so plötzlich, wie ein Sturm einen Regenschirm umstülpt – um im Bild zu bleiben. Denn wie die Max-Planck-Forscher herausfanden, ändert sich zunächst nur die elektronische Struktur des Materials, die für die optischen Eigenschaften wie Transmission, Reflektivität und Absorptionsfähigkeit entscheidend ist.

[note Kristallin und transparent: Kristallines GST reflektiert sichtbares Licht. Wenn es von einem Blitz infraroten Lichts getroffen wird, verändern sich die optischen Eigenschaften in weniger als 100 Femtosekunden – eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel Bruchteil einer Milliardstel Sekunde. Dann reflektiert das Material 10 Prozent weniger Licht, seine Transparenz erhöht sich aber um 40 Prozent. Wie die Bilder der Elektronenbeugung (graue Ringe) zeigen, bleibt die kristalline Struktur dabei erhalten. Das Kristallgitter braucht gut fünf Pikosekunden, bis es sich soweit aufgeheizt hat, dass es schmilzt. In diesem amorphen Zustand lässt das Material 70 Prozent eines Lichtstrahls passieren. Wenn man die Energie des infraroten Laserblitzes extrahieren könnte, ehe der Kristall geschmolzen ist, ließen sich die optischen Eigenschaften ändern, ohne dass das Material eine andere Struktur annimmt. Grafik © Nature Materials 2015]

Um zu verstehen, was dabei genau geschieht, hilft ein Blick auf die Anordnung der Elektronen in kristallinem GST. Darin verbinden nämlich nicht Elektronenpaare die einzelnen Atome miteinander, sondern einzelne Elektronen. Diese sind allerdings nicht auf die Bindung zwischen jeweils zwei Atomen fixiert, die elektronischen Einzelgänger wechseln ihre Zuständigkeit vielmehr ständig: Sie sind delokalisiert, wie Physiker sagen. Die vagabundierenden Bindungselektronen lassen sich allerdings recht leicht in andere nicht bindend wirkenden Zustände befördern. Genau das tun die Forscher mit einem kurzen intensiven Laserpuls, mit der unmittelbaren Folge, dass das Material Licht nicht mehr so gut absorbiert, sondern zu einem gewissen Teil ungehindert passieren lässt – es wird transparent.

Die Veränderung der elektronischen und mithin der optischen Eigenschaften, beobachteten die Physiker, indem sie nach dem ersten Laserblitz einen zweiten ebenfalls sehr kurzen Puls auf eine dünne Probe von GST feuerten. Da sie dabei den Abstand zwischen den beiden Lichtblitzen variierten, konnten sie gewissermaßen in einem Film festhalten, dass sich das Elektronengefüge sofort neu sortiert.

Optische Eigenschaften ändern sich unabhängig von Struktur

„Doch nur weil wir diese Methode mit einer zweiten kombiniert haben, konnten wir die Änderungen der optischen Eigenschaften und der Struktur unterscheiden“, sagt Lutz Waldecker, der im Rahmen seiner Doktorarbeit maßgeblich an den Experimenten beteiligt war. Den Strukturwandel verfolgten er und seine Kollegen mit kurzen Elektronensalven, die einen Kristall anders durchqueren als unregelmäßig strukturierte Materialen. Da die Forscher die Elektronen dem anregenden Laserblitz auch mit unterschiedlicher Verzögerung hinterherschickten, beobachteten sie, dass das regelmäßige Arrangement der Atome länger erhalten bleibt als die elektronische Struktur. Demnach schmilzt der Kristall erst fünf Pikosekunden – das sind einige millionstel Bruchteile einer millionstel Sekunde – nach dem Lichtblitz, der die ganze Neuordnung in Gang setzte. Dabei verliert die Struktur ihre regelmäßige Ordnung.

Fünf Pikosekunden klingt wenig, reicht aber, um das Material für andere Einsätze als die Datenspeicherung zu qualifizieren. Da es bei der Neuausrichtung der Atome gewissermaßen zu Spannungen und auf Dauer zu Brüchen in dem Material kommt, lässt sich das atomare Gefüge einer Substanz nämlich nicht beliebig oft umbauen. Für einen schnellen Schalter im optischen Datenstrom gehört aber genau das zum Anforderungsprofil. „Wenn es gelänge, die für die Strukturänderung erforderliche Energie schnell abzuführen, ließe sich die kristalline Struktur erhalten“, sagt Lutz Waldecker.

Rasch abfließen könnte die Energie, wenn eine GST-Schicht zwischen zwei dünnen Graphit-Schichten oder gar zwischen zwei Graphenlagen eingeschlossen würde. Die Blätter vernetzter Kohlenstoffatome, aus denen Graphen besteht, bringen dafür die entsprechenden Voraussetzungen mit. Genau mit solchen Sandwiches verschiedener Materialien, werden die Physiker um Ralph Ernstorfer nun weiter experimentieren. „Wir wollen untersuchen, in welche Zustände die Elektronen bei der Anregung gelangen und wie die Energie in Sandwich-Strukturen abließen kann“, sagt Ralph Ernstorfer. Auf diese wollen er und seine Kollegen GST auch als Lichtschalter für die optische Datenverarbeitung in Position zu bringen.

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