Mit Licht neues Material erzeugt

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftern der ETH Zürich, der Universität Tokio und des SLAC National Accelerator Laboratory in den USA, haben Forschende des PSI in einem Experiment am Material Pr_0.5Ca_0.5MnO₃ den Elektronen mithilfe eines sehr kurzen Laserpulses zusätzliche Energie zugeführt. Während die Elektronen vorher alle fest an spezifische Atome gebunden waren, konnten sie nachher von Atom zu Atom hüpfen. Das Material wurde dadurch von einem Isolator zu einem Metall. «Wir haben damit praktisch ein neues Material geschaffen, das so in der Natur nicht vorkommt», erklärte Urs Staub, Physiker am PSI. «Dieses Material, also dieser neue Zustand, existiert nur während einer sehr, sehr kurzen Zeit. Die Zeit reicht aber aus, um seine Eigenschaften zu erforschen.»

Kurze Belichtungszeit am Röntgenlaser

Der neue Zustand untersuchten die Forschenden am Röntgenlaser Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC. Er erzeugt sehr kurze und intensive Blitze aus Röntgenlicht, die Vorgänge im Inneren von Materialproben sichtbar machen. Wenn sich der Zustand schnell verändert, ist es wichtig, dass die Blitze kurz sind, sodass die Bilder nicht «verwackeln». Die Forschenden haben das Experiment viele Male wiederholt und dabei den Zeitabstand zwischen dem Laser- und Röntgenpuls variiert. So konnten sie bestimmen, wie sich der innere Zustand des untersuchten Materials auf einer ultraschnellen Zeitskala verändert.

Materialien verstehen

Das untersuchte Material hat einen ähnlichen Aufbau wie Materialien, die für elektronische Geräte von Bedeutung sein könnten, weil sie etwa den sogenannten kolossalen Magnetowiderstand zeigen. Dieser Effekt führt dazu, dass sich der elektrische Widerstand des Materials stark ändert, wenn es in die Nähe eines Magneten kommt. Das könnte zum Beispiel für das Auslesen von Daten aus magnetischen Speichern wichtig sein. «Das Ergebnis hilft uns, grundsätzlich zu verstehen, wie sich solche Materialien verhalten», erklärte Paul Beaud, Physiker am PSI, der zusammen mit Staub das Experiment leitete. Damit könne man die Eigenschaften eines Materials gezielt verändern und somit neue Materialien entwickeln.

Vorbereitung für SwissFEL

In Zukunft werden am PSI ähnliche Experimente möglich sein wie am LCLS, denn Ende 2016 wird der Röntgenlaser SwissFEL in Betrieb gehen. Für die PSI-Forschenden bieten die Untersuchungen in den USA die Möglichkeit, Erfahrungen zu sammeln, die sie beim Aufbau der Experimentierplätze am SwissFEL einbringen können.