Ergebnisse in Nature Communications ver?ffentlicht
Wissenschaftler*innen der Universit?t Paderborn, des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung und der Universit?t Konstanz ist es gelungen, einen seltenen Quantenzustand, die sogenannte Wannier-360直播吧-Lokalisierung, erstmals in einem polykristallinen Material zu realisieren. Der Effekt wurde zwar schon vor rund 80 Jahren vorhergesagt, konnte aber erst vor Kurzem nachgewiesen werden – allerdings in einem Monokristall. Bis dato sind Forscher*innen davon ausgegangen, dass diese Lokalisierung nur in solchen sehr aufw?ndig herzustellenden einkristallinen Stoffen funktioniert. Die neuen Erkenntnisse sind ein Durchbruch auf dem Gebiet der Physik und k?nnten in Zukunft z. B. neue optische Modulatoren hervorbringen, die u. a. bei auf Licht basierenden Informationstechnologien zum Einsatz kommen. Ihre Ergebnisse haben die Physiker*innen jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications ver?ffentlicht.
St?rker und schneller als ein Blitz
In Kristallen sind Atome in einem r?umlichen Gitter angeordnet und werden durch chemische Bindungen zusammengehalten. Sehr starke elektrische Felder k?nnen diese Bindungen allerdings aufl?sen, die Atome verschieben und sogar so viel Energie in den Kristall einbringen, dass er zerst?rt wird. Das passiert beispielsweise, wenn ein Blitz einschl?gt und Materialien schmelzen, verdampfen oder verbrennen. Zur Realisierung der Wannier-360直播吧-Lokalisierung haben die Wissenschaftler*innen in ihren Experimenten elektrische Felder von einigen Millionen Volt pro Zentimeter angelegt, die die Feldst?rken in Blitzen damit noch deutlich übertreffen. Das elektrische System eines Festk?rpers – in diesem Fall ein Polykristall – wird bei dem Vorgang kurzzeitig in ein extremes Ungleichgewicht gebracht: ?Bei der Wannier-360直播吧-Lokalisierung werden einige der chemischen Bindungen quasi vorübergehend stillgelegt. Ohne das Material zu zerst?ren, l?sst sich der Zustand aber nur für Zeitr?ume aufrechterhalten, die kürzer als eine Pikosekunde sind – also der millionste Teil des millionsten Teils einer Sekunde. Wenn das elektrische Feld im Inneren des Kristalls stark genug ist, werden die chemischen Bindungen in Richtung des Feldes ausgeschaltet, sodass der Kristall kurzzeitig einem System aus ungebunden Schichten entspricht – es herrscht Chaos. Das Ph?nomen geht einher mit drastischen Ver?nderungen der elektronischen Zust?nde und führt zu stark ver?nderten optischen Eigenschaften, insbesondere zu gro?en optischen Nichtlinearit?ten“, erkl?rt Prof. Dr. Torsten Meier von der Universit?t Paderborn, der für die theoretische Analyse der Experimente zust?ndig war. Durch nichtlineare Effekte k?nnen z. B. neue Frequenzen erreicht werden, ohne die eine gezielte Manipulation von Licht, das etwa für die moderne Informationsübertragung genutzt wird, nicht m?glich w?re.
Von mono- zu polykristallin
Vor drei Jahren wurde der Effekt zum ersten Mal unter Verwendung einer starken Terahertz-Strahlung in einer bestimmten Kristallausrichtung, also der pr?zisen Anordnung der atomaren Struktur, in einem Galliumarsenid-Einkristall nachgewiesen. ?Diese pr?zise Anordnung war erforderlich, um die feldinduzierte Lokalisierung zu beobachten“, erkl?rt Meier, der die 2018 an der Universit?t Konstanz durchgeführten Experimente simuliert und beschrieben hat. Nun haben die Physiker*innen eine weitere Hürde genommen: ?Wir wollten untersuchen, ob polykristallines Perowskit, ein Material, das h?ufig in Solarzellen und Leuchtdioden genutzt wird, auch als optischer Modulator eingesetzt werden kann", sagt Dr. Heejae Kim, Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Polymerforschung. Optische Modulatoren beeinflussen gezielt die Eigenschaften von Licht, um es für weitere Zwecke nutzbar zu machen und werden u. a. angewendet in der Nachrichtenübertragung, bei Flüssigkristallbildschirmen, Diodenlasern und der Materialbearbeitung. Bislang ist deren Herstellung allerdings nicht nur mit hohen Kosten verbunden, sondern bel?uft sich fast ausschlie?lich auf den Bereich der Monokristalle. Polykristalle wie Perowskit k?nnten das ?ndern und künftig als preiswerte Modulatoren mit einem breiten Anwendungsfeld zum Einsatz kommen.
Simulationen belegen Annahme
?Trotz der willkürlichen Orientierung der einzelnen Kristallite, also der kleinen Bausteine im Polykristall, haben wir klare Ergebnisse beobachtet, die mit denen übereinstimmen, die charakteristisch für die Wannier-360直播吧-Lokalisierung sind“, so Kim weiter. Die in Paderborn durchgeführten Simulationen haben diese Annahme schlie?lich best?tigt. Meier erkl?rt: ?Obwohl die Probe polykristallin ist, zeigt sich, dass die feldinduzierten ?nderungen der optischen Eigenschaften von einer bestimmten Orientierung zwischen den Kristalliten und dem elektrischen Feld dominiert werden.“
Neben der ersten Realisierung der Wannier-360直播吧-Lokalisierung in einem polykristallinen Material ist vor allem auch eines bemerkenswert: Die Feldst?rke, die zur Beobachtung des Effekts erforderlich ist, ist deutlich geringer als die in Galliumarsenid, dem Monokristall. ?Das ist eine Folge der atomaren Struktur des Perowskit-Materials, das hei?t des Zusammentreffens einer gro?en Gitterkonstante – quasi der Abstand zwischen den Atomen – und einer kleinen Bandbreite in einer bestimmten Kristallausrichtung“, so Kim. Für die Zukunft planen die Forscher*innen, diesen extremen Zustand der Materie auf atomarer Ebene genauer zu untersuchen, andere Materialien zu erforschen und weitere Anwendungen des Effekts zu prüfen.
Zum Nature-Artikel: https://doi.org/10.1038/s41467-021-26021-4
Nina Reckendorf, Stabsstelle Presse, Kommunikation und Marketing
