En grupp forskare från Fritz Haber Institute of the Max Planck Society och Humboldt-Universität zu Berlin har upptäckt att en halvledare kan omvandlas till en metall och tillbaka av ljus lättare och snabbare än man tidigare trott. Denna upptäckt kan öka bearbetningshastigheten och förenkla utformningen av många vanliga tekniska enheter.

Mycket av den teknik som används idag bygger på transistorer. De kopplar ihop många av materialen som utgör dessa enheter, och är nödvändiga för all slags databehandling. Eftersom transistorer är så viktiga, forskare och ingenjörer har länge försökt att optimera dem genom att modifiera deras materialegenskaper så att de kan användas mer flexibelt. Nu, ett team av forskare, Fritz Haber Institute of the Max Planck Society och Humboldt-Universität zu Berlin, har hittat en viktig ledtråd om hur man uppnår det.

Transistorer är ofta uppbyggda av halvledare, material som leder elektricitet men inte riktigt lika bra som metaller. I vanliga transistorer, flera halvledare kombineras för att styra en elektrisk ström. Tyvärr, detta begränsar prestandan och storleken på enheten de är inbyggda i. "I grund och botten, det skulle vara idealiskt att bara ha ett material som klarar allt, när du behöver det, säger Julia Stähler, Professor vid Humboldt Universität zu Berlin, som ledde studien vid Fritz Haber Institute.

Även om ledningsförmågan hos halvledare kan förändras genom en kemisk process som kallas "dopning, "denna teknik, där halvledarens atomer ersätts med andra atomer, har begränsningar. Egenskaperna hos ett material kan ändras, men kommer att förbli så permanent. Forskare söker ett material som kan växla mellan olika egenskaper. Julia Stählers grupp har hittat ett svar på denna fråga:ljus.

Forskarna som är involverade i denna studie har undersökt den populära halvledarzinkoxiden och kommit fram till att genom att belysa den med en laser, halvledarytan kan förvandlas till en metall – och tillbaka igen. Denna "fotodoping" uppnås genom fotoexcitation:Ljuset modifierar de elektroniska egenskaperna så att elektroner plötsligt rör sig fritt och en elektrisk ström kan flöda, som i metall. När ljuset släcks igen, materialet går också snabbt tillbaka till att vara en halvledare.

"Denna mekanism är en helt ny och överraskande upptäckt, säger Lukas Gierster, huvudförfattare och Ph.D. elev i Stählers grupp. "Särskilt tre saker har förvånat oss:För en, foto- och kemisk dopning beter sig så mycket lika trots att de är fundamentalt olika mekanismer; två, gigantiska förändringar kan uppnås med mycket låg lasereffekt; och tre, att slå på och av metallen går snabbt."

Omvandlingen till en metall tar bara 20 femtosekunder, dvs 20 miljondels miljarddels sekund. Hastigheten för återbildningen av halvledaren var särskilt häpnadsväckande eftersom den var storleksordningar snabbare än i tidigare studier. Med andra ord, ljus är en ultrasnabb omkopplare som har kraften att ändra zinkoxidens halvledande egenskaper till ett metalliskt beteende reversibelt.

Denna upptäckt kan vara mycket fördelaktig för högfrekventa enhetstillämpningar och ultrasnabba optiskt styrda transistorer genom att öka bearbetningshastigheten och förenkla enhetsdesignen. "Våra prylar kan bli snabbare – och därmed smartare, " säger Julia Stähler och tillägger:"Lågeffekt, ultrasnabb omkoppling av ledningsegenskaper kommer att ge oss hög hastighet och designflexibilitet." Hon och hennes grupp är övertygade om att samma sak kommer att visa sig gälla för andra halvledande material, så att deras upptäckt sannolikt kommer att nå mycket längre än bara zinkoxid.