Forschungshighlights

Jan Gerrit Horstmann, Christoph Emeis, Andrin Caviezel, Quintin N. Meier, Nicolas Wyler, Thomas Lottermoser, Fabio Caruso & Manfred Fiebig, arXiv:2508.16422

https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.16422

„Work smarter, not harder!“ – dieses Sprichwort kennen wir alle. Wenn es darum geht, die Eigenschaften von Quantenmaterialien mit Licht zu manipulieren, bekommt es jedoch eine sehr wörtliche Bedeutung.

Viele der bemerkenswerten Eigenschaften von Quantenmaterialien lassen sich steuern, indem ihre Atome neu angeordnet werden; mit anderen Worten: indem ihre regelmäßige Kristallstruktur verändert wird. Femtosekunden-Lichtpulse (1 Femtosekunde = ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde) bieten eine wirkungsvolle Möglichkeit, dies zu erreichen. Typischerweise regen solche ultrakurzen Pulse die negativ geladenen Elektronen in einem Material an. Während sich die Elektronen neu anordnen, üben sie Kräfte auf die positiv geladenen Atomkerne aus, wodurch sich schließlich auch die Atome bewegen.

In unserer Arbeit haben wir diese lichtinduzierte atomare Bewegung in einem sogenannten Sliding-Ferroelektrikum untersucht. Wird das Material mit einem Femtosekunden-Laserpuls bestrahlt, werden benachbarte Atomlagen dazu gebracht, gegeneinander zu gleiten – ähnlich wie beim Aneinanderreiben der Handflächen. Diese Gleitbewegung hat einen starken Einfluss auf zwei zentrale Eigenschaften des Materials: seine ferroelektrische Ordnung und seine Topologie, die beide für robuste Informationsspeicherung besonders interessant sind. Grundsätzlich gilt: Je größer die relative Bewegung zwischen den Schichten, desto besser lässt sich diese Eigenschaften kontrollieren.

Überraschenderweise hilft es jedoch nicht, einfach die Stärke des Lichtpulses zu erhöhen. Bei sehr hoher Anregung wird das Gleiten zwischen den Schichten sogar schwächer, wodurch unsere Möglichkeiten zur Kontrolle von Ferroelektrizität und Topologie eingeschränkt werden. Der Grund dafür ist, dass bei zu vielen angeregten Elektronen ihre räumliche Verteilung gleichmäßiger wird. In dieser Situation erfahren die Elektronen keine gerichtete Kraft mehr und können daher keine zusätzliche atomare Bewegung mehr antreiben.

Hier entschieden wir uns, „smarter“ zu arbeiten. Statt einen einzelnen stärkeren Puls zu verwenden, teilten wir die Lichtenergie in zwei getrennte Pulse mit einer kontrollierten zeitlichen Verzögerung auf. Nach dem ersten Puls warteten wir, bis sich die Elektronen teilweise entspannt hatten, und regten das System dann erneut an. Dadurch addierten sich die durch jeden Puls erzeugten atomaren Bewegungen und ermöglichten es uns, die Grenzen der Einzelpuls-Anregung zu überwinden.

Unsere Ergebnisse weisen auf neue Strategien hin, um technologisch relevante Eigenschaften – etwa die ferroelektrische Polarisation – energieeffizient zu kontrollieren und zu schalten, selbst in Materialien, die nur wenige Atomlagen dick sind.

Jan Gerrit Horstmann, Ehsan Hassanpour, Aaron Merlin Müller, Yannik Zemp, Thomas Lottermoser, Yusuke Tokunaga, Yasujiro Taguchi, Yoshinori Tokura, Mads C. Weber & Manfred Fiebig, Nature Communications 16, 6802 (2025)

https://doi.org/10.1038/s41467-025-62158-2

Seit Tausenden von Jahren nutzen Schwertschmiede eine bemerkenswert effektive Technik zur Herstellung hochwertiger Klingen: Direkt nach dem Schmieden wird das glühend heiße Schwert rasch in Wasser oder Öl abgeschreckt. In Stahl „friert“ dieser Prozess – das sogenannte Abschrecken (Quenching) – eine bestimmte mikroskopische Domänenstruktur ein. Würde das Metall stattdessen langsam abkühlen, hätten diese Domänen Zeit, sich neu anzuordnen und zu wachsen, was häufig zu schlechteren mechanischen Eigenschaften führt.

In unserer Studie stellten wir uns die Frage, was passiert, wenn ein ähnliches Prinzip auf ein Quantenmaterial angewendet wird – in unserem Fall auf ein sogenanntes Multiferroikum. Multiferroika sind Materialien, in denen mindestens zwei verschiedene Arten ferroischer Ordnung gleichzeitig auftreten, etwa Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus, Ferroelektrizität oder Ferroelastizität. Das Gleichgewicht zwischen diesen Ordnungen ist oft sehr empfindlich, sodass bereits kleine Temperaturänderungen zu dramatischen Umwandlungen führen können – einschließlich der Bildung völlig neuer Domänenmuster.

Diese Empfindlichkeit ist besonders interessant, weil Domänen in multiferroischen Materialien vielversprechende Kandidaten für energieeffiziente Informationsspeicherung sind. Die zentrale Frage unserer Arbeit war daher, ob es möglich ist, ein bestimmtes ferroisches Domänenmuster „einzufrieren“ – ähnlich wie bei abgeschrecktem Stahl – und es zu erhalten, während das Material in eine andere Phase überführt wird.

Bei den extrem niedrigen Temperaturen unserer Experimente kommt es natürlich nicht infrage, eine Probe einfach in Wasser zu tauchen. Stattdessen nutzen wir einen Laser, um das Material kurzzeitig zu erwärmen, und blockieren anschließend abrupt das Laserlicht. Dadurch können wir Abkühlraten von mehr als 300 °C pro Sekunde erreichen.

Mit diesem Ansatz zeigen wir, dass sich magnetische Domänenmuster tatsächlich einfrieren lassen und in eine multiferroische Phase übertragen werden können, in der solche Muster normalerweise nicht existieren dürften. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das gezielte Herausführen von Materialien aus ihrem Gleichgewichtszustand neue und unerwartete Zustände stabilisieren kann. Solche Nichtgleichgewichtszustände könnten spannende Möglichkeiten für zukünftige Informationsspeichertechnologien eröffnen.

Hannes Böckmann, Jan Gerrit Horstmann, Felix Kurtz, Manuel Buriks, Karun Gadge, Salvatore R. Manmana, Stefan Wippermann & Claus Ropers, Nature Physics 21, 1106 (2025)

https://doi.org/10.1038/s41567-025-02899-5

Haben Sie schon einmal versucht, etwas sehr Kleines – etwa eine Nadel – mit dicken Winterhandschuhen aufzuheben? Das wird schnell frustrierend: Das Werkzeug ist einfach viel größer als das Objekt, das man greifen möchte.

Ein ähnliches Problem tritt in vielen Experimenten auf, in denen Licht zur Kontrolle von Materialeigenschaften verwendet wird. Eine solche Eigenschaft ist die Bildung von Domänen – Bereiche innerhalb eines Materials, in denen bestimmte Eigenschaften einheitlich sind. Diese funktionalen Domänen können extrem klein sein, manchmal deutlich kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. In solchen Fällen wird es – ähnlich wie mit Handschuhen und Nadel – schwierig, einzelne Domänen gezielt mit Licht anzusprechen.

In dieser Studie zeigen wir eine Methode, mit der sich nanometergroße metallische und isolierende Domänen mit Licht kontrollieren lassen, dessen Wellenlänge um Größenordnungen größer ist als die Domänen selbst. Der Schlüssel liegt darin, die Energie der Photonen im Lichtpuls zu reduzieren. Dadurch können wir selektiv diejenigen nanometergroßen Domänen anregen, die entlang bestimmter Richtungen orientiert sind – ohne gleichzeitig Energie in benachbarte Domänen mit anderer Orientierung einzubringen.

Durch eine Drehung der Polarisation des Lichts gewinnen wir zudem Kontrolle darüber, welche Domänen angeregt werden. Die Freiheitsgrade des Lichts – etwa Wellenlänge und Polarisation – werden so zu aktiven Stellgrößen.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass Licht bei geeigneter Abstimmung dieser Eigenschaften wie eine neue Art optischer Pinzette wirken kann: präzise genug, um nanoskalige Objekte zu greifen, selbst wenn unsere „Hände“ gewissermaßen Handschuhe tragen.

Felix Kurtz, Tim N. Dauwe, Sergey V. Yalunin, Gero Storeck, Jan Gerrit Horstmann, Hannes Böckmann & Claus Ropers Nature Materials 23, 890 (2024)

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01880-6

Energieumwandlung in funktionalen Materialien kann sich manchmal ein wenig wie Bürokratie anfühlen: Man investiert viel Aufwand, ein großer Teil der eingebrachten Energie geht unterwegs verloren, und das Endergebnis ist oft enttäuschend.

Physikalisch gesehen liegt dies daran, dass optische Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen typischerweise eine Kaskade von Energieumwandlungsprozessen auslöst. Die Energie wird zunächst in Form photoangeregter Elektronen eingebracht, anschließend auf andere Elektronen übertragen, von dort auf Gitterschwingungen und schließlich durch Streuprozesse auf verschiedene Schwingungsmoden verteilt. Nur ein kleiner Teil der ursprünglichen Energie landet letztlich in demjenigen Freiheitsgrad, den man eigentlich kontrollieren möchte – etwa einer bestimmten atomaren Schwingung.

Diese Kaskade von Streuprozessen kann als eine Art mikroskopische Reibung betrachtet werden. Sie spielt eine entscheidende Rolle dafür, wie und wo Wärme erzeugt, transportiert und abgeführt wird und beeinflusst damit stark die Leistungsfähigkeit elektronischer Bauteile. Zu verstehen, welche Wege Energie nach ihrem Eintritt in ein Material nimmt, ist daher von großer Bedeutung.

In dieser Studie verwendeten wir ultraschnelle niederenergetische Elektronenbeugung, um direkt zu verfolgen, wie die Energie eines Femtosekunden-Laserpulses Schritt für Schritt in strukturelle Bewegung und schließlich in Wärme umgewandelt wird. Diese Methode ist besonders empfindlich gegenüber den ersten ein bis zwei Atomlagen eines Materials, sodass wir Energieflüsse genau dort untersuchen können, wo viele technologisch relevante Prozesse stattfinden.

Langfristig könnten solche Erkenntnisse zur Entwicklung neuer Materialien beitragen, die energieeffizientere Prozessoren ermöglichen, höhere Taktfrequenzen unterstützen und letztlich schnellere und leistungsfähigere elektronische Geräte hervorbringen.

Jan Gerrit Horstmann, Hannes Böckmann, Bareld Wit, Felix Kurtz, Gero Storeck & Claus Ropers, Nature 583, 232 (2020)

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2440-4

Es ist eine dieser klassischen Kindheitserinnerungen: auf einer Schaukel sitzen, während jemand im richtigen Moment anschubst, sodass die Schaukel immer höher schwingt. Hier ist das Timing ist entscheidend: Ein gut gesetzter Stoß verstärkt die Bewegung, während ein Stoß zum falschen Zeitpunkt kaum etwas bewirkt.

Lässt sich ein ähnliches Prinzip auch auf Atome anwenden? In unserer Arbeit zeigen wir, dass dies tatsächlich möglich ist. Wir demonstrieren, dass Atome an einer Oberfläche in eine kontrollierte Hin-und-her-Bewegung versetzt werden können und dass diese Bewegung durch wiederholte, präzise getimte „Anstöße“ verstärkt werden kann, um einen Phasenübergang zwischen einem isolierenden und einem metallischen Zustand zu steuern.

Dazu verwenden wir Sequenzen von Femtosekunden-Laserpulsen – Lichtblitze, die nur ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde dauern –, um wiederholt kohärente Phononen anzuregen. Diese Phononen sind kollektive Schwingungen, bei denen sich Atome synchron über viele Tausend Wiederholungseinheiten eines Materials hinweg bewegen. Wenn der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen an die natürliche Schwingungsfrequenz der Atome angepasst wird, wächst ihre Bewegung mit jedem Puls.

Ähnlich wie bei einer Achterbahn, die genügend Geschwindigkeit gewinnt, um einen Hügel zu überwinden, ermöglicht diese verstärkte atomare Bewegung dem System, die Energiebarriere zwischen der isolierenden und der metallischen Phase zu überwinden. Entscheidend ist dabei, dass der Übergang durch gerichtete atomare Bewegung und nicht durch einfaches Aufheizen des Materials ausgelöst wird.

Unsere Ergebnisse weisen auf neue Wege hin, Materialeigenschaften energieeffizient zu schalten, und eröffnen den Zugang zu neuartigen Materiezuständen, die unter normalen Gleichgewichtsbedingungen nicht erreichbar sind.