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Mit UV-Licht lässt sich an der Grenzfläche zweier Oxidmaterialien ein extrem leitfähiger Zustand gezielt ein- und ausschalten – und das in Sekundenschnelle. Dieser neu entdeckte „Lichtschalter für Elektronen“ markiert einen Meilenstein auf dem Weg zu lichtgesteuerter Elektronik und könnte künftig auch in der Supraleitung Anwendung finden. Das Fachmagazin Nature Materials berichtet. Teil des internationalen Teams sind die theoretische Physikerin Prof. Dr. Rossitza Pentcheva (Universität Duisburg-Essen) und ihr ehemaliger Mitarbeiter Dr. Benjamin Geisler (University of Florida).
„Der Clou unserer Arbeit ist, dass sich ein außergewöhnlich leitfähiger Zustand allein mit Licht ein- und ausschalten lässt – fast wie mit einem Schalter“, sagt Prof. Dr. Rossitza Pentcheva, theoretische Physikerin an der Universität Duisburg-Essen (UDE). „Damit eröffnen sich auch neue Möglichkeiten, die Supraleitung in Nickelaten künftig gezielt durch ultraschnelle Lichtimpulse zu beeinflussen.“
Im Mittelpunkt der Studie steht NdNiO₂, ein Vertreter der sogenannten infinite-layer Nickelate. Diese Materialklasse ähnelt den Kupferoxid-Hochtemperatursupraleitern und hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, da sie unter bestimmten Bedingungen selbst supraleitend werden kann.
Geisler und Pentcheva hatten bereits 2020 vorhergesagt, dass sich an der Grenzfläche zwischen dem Nickelat NdNiO₂ und dem Isolator Strontiumtitanat (SrTiO₃) ein sogenanntes zweidimensionales Elektronengas bilden könnte – eine extrem dünne Schicht, in der sich Elektronen nahezu reibungslos bewegen. Solche Zustände gelten als Schlüssel für künftige Entwicklungen in der Nanoelektronik, Spintronik und Quanteninformation. In bisherigen Experimenten blieb das Elektronengas jedoch aus, weil sich die Atome an der Grenzfläche stärker vermischten als erwartet – wie eine frühere gemeinsame Arbeit der Universitäten Cornell, Stanford und Duisburg-Essen in Nature Materials bereits 2023 gezeigt hatte.
Nun nutzte das internationale Forschungsteam gezielt Licht als Stimulus: In den Experimenten bestrahlten sie die Grenzfläche mit ultraviolettem Licht und maßen gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit. Parallel dazu führten Geisler und Pentcheva auf dem Supercomputer der UDE quantenmechanische Simulationen durch, mit denen sich das Verhalten der Elektronen präzise beschreiben ließ.
„Wird das Licht eingeschaltet, verändert sich das Material schlagartig: Der elektrische Widerstand sinkt um bis zu ein Hunderttausendfaches – die Probe leitet plötzlich rund 100.000-mal besser“, erklärt Pentcheva. Möglich macht das ein winziges elektrisches Feld an der Grenzfläche, das die durch UV-Licht freigesetzten Elektronen wie auf einer unsichtbaren Schiene in einer hauchdünnen Schicht sammelt. Dort können sie sich besonders leicht bewegen und bilden das leitfähige Elektronengas. Sobald das Licht ausgeschaltet wird, verschwindet dieser Zustand wieder vollständig – das Material kehrt in seinen Ausgangszustand zurück.
Prof. Dr. Rossitza Pentcheva, Universität Duisburg-Essen, Fakultät für Physik, Theoretische Physik, Tel. 0203/379-2238, rossitza.pentcheva@uni-duisburg-essen.de
Sanchez-Manzano, D., Krieger, G., Raji, A. et al. Giant photoconductance at infinite-layer nickelate/SrTiO3 interfaces via an optically induced high-mobility electron gas. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02363-y
Licht an – Strom an: UV-Strahlung verwandelt die Grenzfläche des Materials in eine hochleitfähige El ...
Copyright: David Sánchez Manzano generiert mit KI)
Criteria of this press release:
Journalists
Energy, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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