Laser zur Veränderung der Materialeigenschaften

Stellen Sie sich Fenster vor, die sich leicht in Spiegel verwandeln können, oder sehr schnelle Computer, die nicht mit Elektronen, sondern mit Photonen arbeiten. Dies sind nur einige der möglichen Anwendungen, die sich aus der optischen Technik ergeben könnten, der Praxis, mit Lasern die Eigenschaften von Materialien schnell und vorübergehend zu ändern.

„Mit diesen Werkzeugen könnten die elektronischen Eigenschaften von Materialien auf Knopfdruck verändert werden“, erklärt David Hsieh, Physikprofessor am Caltech. “Aber die Technologien wurden durch das Problem begrenzt, dass Laser zu viel Wärme in Materialien erzeugen.”

In einer neuen Studie in Nature berichten Hsieh und sein Team, darunter der Hauptautor und Doktorand Junyi Shan, über den Erfolg bei der Verwendung von Lasern, um die Eigenschaften von Materialien dramatisch zu formen, ohne überschüssige schädliche Wärme zu erzeugen. „Die für diese Experimente benötigten Laser sind sehr leistungsstark, daher ist es schwierig, die Materialien nicht zu erhitzen und zu beschädigen“, sagt Shan. „Einerseits wollen wir, dass das Material einem sehr intensiven Laserlicht ausgesetzt wird. Auf der anderen Seite wollen wir nicht, dass das Material dieses Licht absorbiert.“

Wissenschaftler sagen auch, dass sie ein ideales Material gefunden haben, um diese Methode zu demonstrieren. Das Material, ein Halbleiter namens Mangan-Phosphortrisulfid, absorbiert von Natur aus nur wenig Licht über einen weiten Bereich von Infrarot-Frequenzen.

Bild: Depositphotos

Für ihre Experimente verwendeten Hsieh, Shan und Kollegen intensive Infrarot-Laserpulse, die jeweils etwa 10 bis 13 Sekunden dauern, um die Energie der Elektronen im Material schnell zu ändern. Dadurch ging das Material für bestimmte Lichtfarben von einem stark opaken in einen hochtransparenten Zustand über.

Noch grundlegender ist, so die Forscher, dass der Prozess reversibel ist. Beim Ausschalten des Lasers kehrt das Material sofort in seinen ursprünglichen, völlig unbeschadeten Zustand zurück. Dies wäre nicht möglich, wenn das Material das Laserlicht absorbiert und es erwärmt, da es lange dauern würde, bis das Material die Wärme abführt. Das wärmelose Handling des neuen Verfahrens wird als „kohärentes optisches Engineering“ bezeichnet.

Die Methode funktioniert, weil Licht die Unterschiede zwischen den Energieniveaus der Elektronen im Halbleiter (sogenannte Bandlücken) verändert, ohne die Elektronen selbst in andere Energieniveaus zu stoßen, wodurch Wärme entsteht. „Es ist, als hätte man ein Boot, und dann kommt eine große Welle und schüttelt das Boot kräftig auf und ab, ohne dass die Passagiere fallen“, erklärt Hsieh. “Unser Laser bringt die Energieniveaus des Materials stark in Schwingung, wodurch sich die Eigenschaften des Materials ändern, aber die Elektronen bleiben.”

Die Ergebnisse, so Hsieh, deuten darauf hin, dass andere Forscher nun potenziell mit Licht Materialien wie exotische Quantenmagnete künstlich herstellen können, die sonst auf natürliche Weise nur schwer oder gar nicht herzustellen gewesen wären.


Source: Tom's Hardware by www.tomshw.it.

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