XFEL: Mit Licht zur Elektronik der Zukunft
Mit Licht zur Elektronik der Zukunft
Ferroelektrika gelten als Hoffnungsträger für die Elektronik von morgen. Ein Experiment am weltweit größten Röntgenlaser, dem European XFEL in Schenefeld bei Hamburg, zeigt nun, dass sich ihre Eigenschaften gezielter beeinflussen lassen als bisher gedacht – und zwar mit Licht.
Ein internationales Forschungsteam um Le Phuong Hoang und Giuseppe Mercurio von European XFEL hat eine neue Möglichkeit entdeckt, die Eigenschaften ferroelektrischer Materialien extrem schnell und gezielt mit Licht zu steuern. Diese Entdeckung könnte den Weg zu schnelleren, energieeffizienteren Speichern und elektronischen Bauelementen ebnen.
Ferroelektrische Materialien sind spezielle kristalline Stoffe. In ihnen sind Atome positiver oder negativer Ladungen nicht exakt am selben Ort. Diese Asymmetrie erzeugt ein inneres elektrisches Feld – die sogenannte elektrische Polarisation. Ein äußeres elektrisches Feld kann diese umkehren, weswegen sie sich als Schalter eignen.
Mithilfe der außergewöhnlich hellen und intensiven Röntgenblitze des European XFEL sowie optischer Laser verfolgten Forschende an der SCS-Experimentierstation zeitgleich Veränderungen der ferroelektrischen Polarisation, der Gitterstruktur und des elektronischen Zustands von Bariumtitanat – und das mit einer zeitlichen Auflösung von 90 Femtosekunden. 350 Femtosekunden nach der Anregung durch den Laser hatte sich die Polarisation bereits deutlich verändert – ohne dass das Kristallgitter Zeit hatte, sich nennenswert zu verändern. Diese Entkopplung eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung zukünftiger elektronischer Bauteile.(Blaue Kugeln: Bariumatome; Grüne Kugeln: Titanatome; Rote Kugeln: Sauerstoffatome; Roter Lichtstrahl: optischer Laser (800 Nanometer); Grauer Lichtstrahl: XFEL Röntgenlaser; Violetter Lichtstrahl: optischer Pumplaser (266 Nanometer); Blauer Lichtstrahl: optischer Laser (zweite Harmonische) (400 Nanometer)) Illustration: European XFEL/Tobias Wüstefeld
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von der Experimentierstation SCS (Spectroscopy and Coherent Scattering) untersuchten dazu das Mischoxid Bariumtitanat BaTiO₃ aus der Gruppe der Titanate mit den extrem hellen und intensiven Röntgenblitzen des weltweit größten Röntgenlasers, des European XFEL in Schenefeld bei Hamburg. Mithilfe ihres Messverfahrens konnten sie zur selben Zeit die Veränderungen der Polarisation, der Gitterstruktur und der Elektronen im Material verfolgen – und zwar mit einer zeitlichen Auflösung von nur 90 Femtosekunden: das entspricht dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde.
Sie konnten feststellen, dass bereits 350 Femtosekunden nach der Anregung durch den Laser die Polarisation stark verändert war – ohne dass sich das Kristallgitter in dieser kurzen Zeit wesentlich bewegt hatte. „Die Steuerung der Polarisation erfolgte durch die angeregten Elektronen, nicht durch mechanische Spannungen“, sagt Le Phuong Hoang.
„Diese Entkopplung eröffnet neue Spielräume für das Design zukünftiger elektronischer Bauteile“, ergänzt Giuseppe Mercurio. „Bislang war man auf komplizierte Materialkombinationen angewiesen, um bestimmte Polarisationszustände zu erreichen. Künftig könnten gezielte Lichtimpulse reichen. Zudem könnten sich auf diese Weise auch magnetische Eigenschaften beeinflussen lassen – etwa in sogenannten Multiferroika, die sowohl elektrisch als auch magnetisch steuerbar sind“, prognostiziert Mercurio.
Die SCS-Experimentierstation ermöglicht die Beobachtung von elektronischen und strukturellen Veränderungen von weicher Materie, wie beispielsweise Flüssigkeiten, Polymeren oder biologischen Materialien, von magnetischen Materialien oder von komplexen Festkörperproben. Foto: European XFEL
Originalpublikation:
Hoang, L.P., Pesquera, D., Hinsley, G.N. et al. Ultrafast decoupling of polarization and strain in ferroelectric BaTiO3. Nat Commun 16, 7966 (2025). doi:10.1038/s41467-025-63045-6
