Durchstimmbare Terahertz-Laser verbessern die photoinduzierte Supraleitung in K₃C₆₀

Forschende des MPSD untersuchen seit langem, wie sich die Eigenschaften von Quantenmaterialien außerhalb des Gleichgewichts durch maßgeschneiderte Laseranregung manipulieren lassen. Eine der eindrucksvollsten Demonstrationen dieser Physik fand in unkonventionellen Supraleitern statt, wo in den resultierenden Nicht-Gleichgewichtszuständen verbesserte elektronische Kohärenzen und supraleitender Transport dokumentiert wurden. Diese Phänomene sind jedoch noch nicht vollständig untersucht oder systematisch optimiert worden, was in erster Linie auf die Komplexität der Experimente zurückzuführen ist. Technologische Anwendungen sind daher noch weit von der Realität entfernt.

In einem kürzlich durchgeführten Experiment hat dieselbe Forschungsgruppe einen weitaus effizienteren Weg gefunden, um einen zuvor beobachteten metastabilen, supraleitungsähnlichen Zustand in K₃C₆₀ mithilfe von Laserlicht zu erzeugen. Die Arbeit der Cavalleri-Gruppe ist in Nature Physics erschienen.

Das Team zeigte, dass beim Abstimmen des Laserlichts auf eine bestimmte niederfrequente Resonanz weit weniger starke Lichtpulse denselben Effekt bei viel höheren Temperaturen hervorrufen können. Die am Institut entwickelte Lasertechnologie war der Schlüssel zu dieser Arbeit. Durch Einstellen der Lichtquelle auf 10 THz, eine niedrigere Frequenz als bisher möglich, gelang es den Forschern, den langlebigen supraleitungsähnlichen Zustand in dem Fulleren-basierten Material wiederherzustellen und gleichzeitig die dazu erforderliche Pulsintensität um das Hundertfache zu verringern.

Der lichtinduzierte Zustand wurde direkt beobachtet und hält bei Raumtemperatur 100 Pikosekunden lang an, doch wird eine Lebensdauer von mindestens 0,5 Nanosekunden vorhergesagt (eine Nanosekunde ist ein Milliardstel einer Sekunde, eine Pikosekunde ein Billionstel).

Diese Ergebnisse werfen ein neues Licht auf den mikroskopischen Mechanismus, welcher der photoinduzierten Supraleitung zugrunde liegt, so der Hauptautor Edward Rowe, ein Doktorand in der Cavalleri-Gruppe: „Die Identifizierung der Resonanzfrequenz wird es Theoretiker*innen ermöglichen, zu verstehen, welche Anregungen tatsächlich wichtig sind, da es derzeit keine allgemein akzeptierte theoretische Erklärung für diesen Effekt in K₃C₆₀ gibt.“

Rowe ist überzeugt, dass eine Lichtquelle mit einer höheren Pulswiederholrate bei der 10 THz-Lichtfrequenz dazu beitragen könnte, den metastabilen Zustand länger aufrechtzuerhalten: „Wenn wir jeden neuen Puls abgeben könnten, bevor die Probe in ihren nicht-supraleitenden Gleichgewichtszustand zurückkehrt, könnte es möglich sein, den supraleitungsähnlichen Zustand kontinuierlich aufrechtzuerhalten.“

„Diese Experimente sind eine sehr schöne Demonstration dafür, wie geeignete Fortschritte in der Technologie viele Phänomene anwendbar machen können, die bisher nicht praktikabel sind“, sagt MPSD-Direktor Andrea Cavalleri. Aus seiner Sicht laufen die Anstrengungen der vergangenen zwei Jahrzehnte zur Erforschung dieser Effekte nun auf zukünftige Technologien zusammen. „Es ist auch klar, dass es einen bedeutenden Engpass in der Art und Verfügbarkeit von Laserquellen gibt. Einhergehend mit solchen Studien muss dieser bewältigt werden, um das Feld voranzubringen.“

Die Forschung wurde am MPSD im Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg durchgeführt. Sie erhielt Unterstützung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Exzellenzcluster CUI : Advanced Imaging of Matter. Die K₃C₆₀-Proben wurden an der Università degli Studi di Parma, Italien, hergestellt.