Metalloxide: Wie Lichtpulse Elektronen in Bewegung setzen

17. September 2025

Foto: T. Rossi /HZB

Wenn Nickeloxid (NiO) mit ultrakurzen UV-Lichtimpulsen angeregt wird, werden die Elektronenabstoßungen kurzzeitig schwächer, wodurch sich der Isolator eher wie ein Metall verhält. Um diesen Effekt zu erfassen, wurde das Material mit UV-Impulsen untersucht und die Absorption und Reflektivität gemessen.

Metalloxide kommen in der Natur reichlich vor und spielen eine zentrale Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und der Photovoltaik. In den meisten Metalloxiden ist jedoch aufgrund der Abstoßung zwischen Elektronen benachbarter Metallatome die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Ein Team vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) hat gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und weiteren Institutionen gezeigt, dass Lichtimpulse diese Abstoßungskräfte vorübergehend schwächen können. Dadurch entsteht ein metallähnliches Verhalten. Diese Entdeckung wurde nun in Science Advances veröffentlicht.

In den meisten Metalloxiden verhalten sich Elektronen wie Autos im Stau: Starke Abstoßungskräfte hindern sie daran, sich in benachbarte Bereiche zu bewegen, die bereits von anderen Elektronen besetzt sind, und frieren sie sozusagen an Ort und Stelle ein. Materialien, die diesen Abstoßungskräften (oder Korrelationen) unterliegen, leiten Strom schlecht und zeigen beispielsweise bei der Umwandlung von Sonnenenergie eine geringe Leistung.

Kurzzeitige Bewegung mit geringem Energieaufwand

Ein internationales Team hat nun gezeigt, dass ultrakurze Lichtimpulse von nur wenigen Zehnteln einer Femtosekunde diese Abstoßungskräfte vorübergehend abschwächen können. Für einen kurzen Moment können sich die Elektronen mit geringerem Energieaufwand bewegen, wodurch sich das Material eher wie ein Metall verhält. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die auf Temperatur, Druck oder chemischen Veränderungen beruhen, um die Leitfähigkeit zu verändern, nutzt dieser Ansatz Licht, um denselben Effekt in ultrakurzen Zeiträumen zu erzielen.

Das Team konzentrierte sich auf Nickeloxid (NiO), einen Ladungstransferisolator mit einer elektronischen Struktur, die der von Hochtemperatur-Supraleitern ähnelt. In NiO gelang ihnen eine beispiellose Kontrolle: Die Verringerung der Elektronenabstoßung ist linear zur Lichtintensität, hält Hunderte von Pikosekunden an und kehrt unabhängig von der Anregungsdichte im gleichen Tempo zum Gleichgewicht zurück. Insgesamt eröffnen diese Eigenschaften spannende neue Perspektiven für effizientere lichtbasierte Bauelemente und Technologien der nächsten Generation, die einen großen Dynamikbereich mit ultraschnellen Schaltgeschwindigkeiten kombinieren.

„Die Kontrolle der Elektron-Elektron-Wechselwirkung mit Lasern in so kurzen Zeiträumen ist wirklich spannend und eröffnet viele Möglichkeiten für die zukünftige Grundlagenforschung und potenzielle technologische Anwendungen“, sagt Nicolas Tancogne-Dejean, der die theoretischen Simulationen für diese Arbeit am MPSD durchgeführt hat. Ebenfalls beteiligt war MPSD-Direktor Angel Rubio, der auch im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter" forscht. Text: HZB, MPSD, red.

Originalpublikation

Th. C. Rossi, N. Tancogne-Dejean, M. Oppermann, M. Porer, A. Magrez, R. V. Chopdekar, Y. Takamura, U. Staub, R. M. van der Veen, A. Rubio, und M. Chergui

Dynamic control of electron correlations in photodoped charge-transfer insulators

Science Advances 11, 36

DOI: 10.1126/sciadv.adx5676