Neue Studie gibt Attosekunden-Einblicke in die Elektronendynamik von Übergangsmetallen
Ein internationales Forschungsteam hat die Dynamik der lichtinduzierten Elektronenlokalisierung in Übergangsmetallen auf der Attosekundenskala enträtselt. Das Team, unter ihnen MPSD-Wissenschaftler, untersuchte die Vielkörper-Elektronendynamik in Übergangsmetallen vor ihrer Erwärmung. Diese Studie ist nun in Nature Physics erschienen.
Die Wissenschaftler von der ETH Zürich (Schweiz), dem MPSD (Deutschland), dem Center for Computational Sciences der University of Tsukuba (Japan) und dem Center for Computational Quantum Physics am Flatiron Institute (USA) untersuchten das kollektive Verhalten von Elektronen sowie die Wechselwirkung zwischen Lichtabsorption und elektronischer Abschirmung in den Übergangsmetallen Titan (Ti) und Zirkonium (Zr) mithilfe von Attosecond Transient Absorption Spectroscopy (ATAS) – einer ultraschnellen Methode für die Beobachtung elektronischer Bewegungen. Übergangsmetalle wie diese sind wesentliche Bestandteile vieler Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften, wie zum Beispiel Supraleitern.
Die Forscher nutzten umfangreiche quantenmechanische Berechnungen auf Grundlage der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie für die Auswertung ihrer Ergebnisse und konnten so veranschaulichen, wie die Dynamik gepaarter Elektronen diese Systeme beeinflusst.
In Metallen ist ein Teil der Elektronen komplett von seinen Rumpfionen getrennt. Diese sogenannten freien Elektronen können sich in Festkörpern frei bewegen und gebendem Metall seine leitende Eigenschaft. Im Gegensatz zu diesen Elektronen sind jedoch andere, stark lokalisierte Elektronen an die Ionen von Übergangsmetallen gebunden. Sie werden in bestimmte Bereiche gezwungen, was zu einer abgegrenzten Elektronendichte und starker Elektronenpaarung führt.
Diese Faktoren spielen eine wichtige Rolle in diversen interessanten Phasenzuständen, wie zum Beispiel der Hochtemperatur-Supraleitung, bei Phasen mit Ladungsdichtewellen sowie bei Metall-Isolator-Übergängen (den sogenannten Mott-Übergängen).
Solche interessanten Zustände ließen sich mit lichtkontrollierter Elektronenlokalisierung auf ultraschnelle Weise erzeugen und steuern. Die einzige Einschränkung wäre der Zeitraum der Thermalisierung, währenddessen die Kontrollierbarkeit der Elektronen durch die Umgebung gestört wird.
Mithilfe von ATAS entdeckten die Wissenschaftler eine ultraschnelle Veränderung der optischen Absorption in Übergangsmetallen unter einem intensiven Attosekunden-Laserpuls. Sie zeigten, dass die kurzlebige Absorption durch die vom Pump-Puls bewirkte ultraschnelle d-Elektronen-Lokalisierung entsteht. Diese flüchtigen Absorptionsphänomene bleiben selbst dann bestehen, wenn experimentelle Parameter wie die Dicke der Probe, der Oxidationszustand ihrer Oberfläche oder die Photonenenergie des Pump-Pulses verändert werden.
Mit seinen Berechnungen zeigte das Team außerdem, dass die Attosekunden-Elektronenlokalisierung zu elektronischen Abschirmungseffekten im Subnanometerbereich führt. Daraus entsteht eine ultraschnelle Absorptionsrate.
Das Team hat neue Wege für die ultraschnelle Manipulation von Materiezuständen auf ihrer natürlichen Zeitskala aufgezeigt. Die Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Beitrag zur Erklärung der lichtinduzierten Elektronendynamik in Materie auf der Attosekundenskala. Sie bahnen den Weg für die Entwicklung zukünftiger optoelektronischer Geräte, energiesparender Elektronik, magnetischer Speicher, Spintronics und neuartiger Solarzellen.