Forskare från den fysikaliska kemiavdelningen vid Fritz Haber-institutet och Max Planck-institutet för materiens struktur och dynamik i Hamburg har upptäckt att ultrasnabba växlingar i materialegenskaper kan framkallas av laserpulser – och varför. Denna kunskap kan möjliggöra nya transistorkoncept.

Att göra den elektroniska teknikens hastighet så snabb som möjligt är ett centralt mål för samtida materialforskning. Nyckelkomponenterna i snabb beräkningsteknik är transistorer:omkopplingsenheter som slår på och av elektriska strömmar mycket snabbt som grundläggande steg i logiska operationer. För att förbättra vår kunskap om idealiska transistormaterial, fysiker försöker ständigt fastställa nya metoder för att åstadkomma sådana extremt snabba växlar. Forskare från Fritz Haber Institute of the Max Planck Society i Berlin och Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg har nu räknat ut att en ny typ av ultrasnabb switch kan åstadkommas med ljus.

Fysikerna som är involverade i projektet studerar hur man på bästa sätt får material att ändra sina egenskaper – att göra magnetiska metaller icke-magnetiska, till exempel, eller för att ändra den elektriska ledningsförmågan hos en kristall. Ett materials elektriska egenskaper är starkt relaterade till arrangemanget av elektronerna i kristallen. Att kontrollera elektronernas arrangemang har varit ett nyckelämne i årtionden. De flesta kontrollmetoder, dock, är ganska långsamma.

"Vi visste att yttre påverkan som temperatur- eller tryckvariationer fungerar, " säger Dr Ralph Ernstorfer, Gruppledare vid Institutionen för fysikalisk kemi vid Fritz Haber Institute, "men det tar tid, åtminstone några sekunder." De som regelbundet använder en smartphone eller dator vet att några sekunder kan kännas som en evighet. Så Dr Ernstorfers grupp undersökte hur man växlar materialegenskaper mycket snabbare med hjälp av ljus.

Använder helt ny utrustning vid Fritz Haber Institute, forskarna har kraftigt minskat växlingstiden till endast 100 femtosekunder genom att skjuta ultrakorta optiska laserpulser mot deras valda material, en semimetallisk kristall som består av volfram- och telluratomer. Lysande ljus på kristallen uppmuntrar den att omorganisera sin interna elektroniska struktur, vilket också förändrar kristallens ledningsförmåga. Dessutom, forskarna kunde observera exakt hur dess elektroniska struktur förändrades.

"Vi använde ett nytt instrument för att ta bilder av övergången varje steg på vägen, " förklarar Dr. Samuel Beaulieu, som arbetade som postdoktor hos Ralph Ernstorfer vid Fritz-Haber-Institut (2018-2020) och som nu är fast forskare vid Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA) vid CNRS-Bordeaux University. "Det här är fantastiska framsteg - vi brukade bara veta hur materialets elektroniska struktur såg ut efter, men aldrig under övergången, " tillägger han. Dessutom toppmodern modellering av denna nya process av Dr. Nicolas Tancogne-Dejean, Dr Michael Sentef, och Prof. Dr. Angel Rubio från Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter har avslöjat ursprunget till denna nya typ av ultrasnabb elektronisk övergång. Laserpulsen som träffar materialen förändrar hur elektroner interagerar med varandra. Det är drivkraften bakom denna exotiska övergång, känd som en Lifshitz-övergång.

Denna metod kommer att generera en hel del kunskap om möjliga framtida transistormaterial. Bara det faktum att ljus kan driva ultrasnabba elektroniska övergångar är ett första steg mot ännu snabbare och effektivare teknik.

Studien publiceras i Vetenskapens framsteg .