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Laserpulse ordnen winzige elektrische Bereiche eines Quantenmaterials
Elektrische Ordnung auf Knopfdruck: Ultrakurze Laserpulse können winzige polarisierte Bereiche in einem leitfähigen Quantenmaterial gezielt ausrichten, wie ein Experiment zeigt. Die Ordnung hält nur rund eine Pikosekunde an. Zugleich belegt das Verfahren, dass sich die elektrische Ordnung des Kristalls durch die Ausrichtung bereits vorhandener Nanobereiche bildet und nicht erst durch ihre Entstehung.
Auburn (U.S.A.). Elektrische Polarisation und metallische Leitfähigkeit passen auf den ersten Blick schlecht zusammen. Denn bewegliche Elektronen können elektrische Felder abschirmen, mit denen sich polare Bereiche normalerweise steuern lassen. Doch manche Quantenmaterialien vereinen beides: Sie leiten Strom und besitzen zugleich winzige Regionen mit einer elektrischen Vorzugsrichtung.
In solchen polaren Metallen ist bisher umstritten, wie größere geordnete Bereiche entstehen. Verschieben sich Atome beim Abkühlen gemeinsam in eine neue Struktur? Oder sind winzige elektrische Dipole bereits vorher vorhanden und richten sich erst dann aus? Gerade in leitfähigen Kristallen lässt sich diese Alternative nur schwer experimentell unterscheiden.
Forscher der Auburn University um Prof. Wencan Jin haben nun einen mit Barium und Niob dotierten Strontiumtitanat-Kristall untersucht. Das Material wird bei etwa 44 Kelvin ferroelektrisch, bildet also einen Zustand mit bevorzugter elektrischer Polarisation. Gleichzeitig kann es dank zusätzlicher beweglicher Elektronen Strom leiten.
Um die winzigen polaren Nanoregionen aufzuspüren, nutzte das Team die sogenannte Erzeugung der zweiten Harmonischen. Dabei erzeugt eingestrahltes Licht im Kristall ein schwaches Signal mit doppelter Frequenz. Aus dessen Stärke und Winkelverteilung lassen sich Rückschlüsse auf die lokale Symmetrie und die bevorzugte Ausrichtung elektrischer Dipole ziehen.
Bei niedrigen Temperaturen zeigten die Messungen zwei bevorzugte Orientierungen der polaren Bereiche. Während des Erwärmens nahm der aus Modellanpassungen bestimmte Anteil entlang einer solchen Richtung von rund 80 Prozent bei zehn Kelvin auf zehn Prozent bei 80 Kelvin ab. Schwache optische Signale blieben allerdings bis etwa 230 Kelvin nachweisbar, weit oberhalb des ferroelektrischen Übergangs.
Das spricht für einen Ordnungs-Unordnungs-Übergang: Die elektrischen Inseln werden beim Abkühlen nicht erst neu gebildet. Vielmehr richten sich bereits vorhandene lokale Dipole gemeinsam aus, während sie bei höheren Temperaturen wieder ungeordnet orientiert sind.
In einem zweiten Experiment bestrahlten die Wissenschaftler den Kristall mit nur Femtosekunden dauernden Laserpulsen. Bei 55 Kelvin, also oberhalb des ferroelektrischen Übergangs, orientierten sich die zuvor ungeordneten Nanoregionen bevorzugt entlang der Schwingungsrichtung des Laserlichts. Durch Drehen dieser Richtung ließ sich auch die Orientierung der erzeugten Ordnung gezielt verändern.
Die Muster wurden mit einem zeitlich versetzten zweiten Lichtpuls ausgelesen. Nach einem Abgleich mit Simulationen schätzte das Team, dass mehr als 80 Prozent der modellierten Nanoregionen der Lichtpolarisation folgen. Das optische Signal reagierte auf einer Zeitskala von ungefähr einer Pikosekunde, also einer Billionstel Sekunde.
Den entscheidenden experimentellen Hinweis erhielt Doktorand Mohamed Kandil bereits im Jahr 2025, nachdem die Forscher die empfindliche optische Messanordnung verbessert hatten.