Quantenmaterialien mit Licht gezielt steuern: Warum zwei Pulse besser sein können als einer
04.11.2026Eine neue Studie zeigt: Durch eine gezielte zeitliche Abfolge von Lichtpulsen lässt sich die Bewegung von Atomlagen in einem Quantenmaterial verstärken. So können funktionale Materialeigenschaften effizient kontrolliert werden.
„Work smarter, not harder!“ – dieses Prinzip gilt offenbar auch für die Steuerung von Quantenmaterialien mit Licht. Viele ihrer faszinierenden Eigenschaften hängen davon ab, wie die Atome im Kristall angeordnet sind. Mit ultrakurzen Laserpulsen lassen sich diese Strukturen gezielt verändern: Das Licht regt zunächst Elektronen an, deren veränderte Energie und Dynamik Kräfte auf die Atomkerne ausüben und dadurch atomare Bewegungen auslösen können. Solche Prozesse laufen innerhalb von Femtosekunden ab – einer millionstel Milliardstel Sekunde.
In einer nun in Nature Physics veröffentlichten Studie untersuchten Forschende der Universitäten Würzburg und Rostock sowie der ETH Zürich diesen Mechanismus in WTe2, einem sogenannten Sliding-Ferroelektrikum. In solchen Materialien können benachbarte Atomlagen gegeneinander gleiten, ähnlich wie zwei aneinandergelegte Handflächen. „Besonders spannend ist, dass sich durch die relative Bewegung der Atomlagen unterschiedliche Materialeigenschaften wie Ferroelektrizität und Topologie beeinflussen lassen“, erklärt Gerrit Horstmann, Erstautor der Studie und Leiter einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).
Mehr Licht führt nicht immer zu mehr Bewegung
Naheliegend wäre es, für eine stärkere Verschiebung der Atomlagen einfach die Energie des Laserpulses zu erhöhen. Doch die Forschenden zeigen, dass diese Strategie an Grenzen stößt. „Bei einer sehr starken Anregung werden Elektronen in hochenergetische Zustände angeregt, die der gerichteten Bewegung der Atome entgegenwirken. Die zusätzliche Lichtenergie führt dann nicht mehr zu einer entsprechend stärkeren Verschiebung der Atomlagen, sondern bremst sie regelrecht aus“, erklärt Gerrit Horstmann.
Anstatt die Intensität weiter zu erhöhen, wählten die Forschenden deshalb einen anderen Ansatz: Sie teilten die Lichtenergie auf zwei schwächere, zeitlich getrennte Pulse auf. Nach dem ersten Puls erhält das elektronische System Zeit, sich teilweise zu entspannen, bevor der zweite Puls eintrifft. Durch die gezielte Wahl der zeitlichen Verzögerung lässt sich die Gleitbewegung wie ein Kind auf einer Schaukel antreiben und die Einschränkung der Einzelpuls-Anregung überwinden. „Die zeitliche Abstimmung eröffnet eine zusätzliche Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atombewegung optimal auszunutzen“, so Horstmann. Statt möglichst viel Energie auf einmal einzubringen, wird die Anregung an die Dynamik des Materials angepasst.
Neue Möglichkeiten für die Kontrolle von Quantenmaterialien
Die Ergebnisse könnten langfristig dabei helfen, technologisch relevante Eigenschaften wie die ferroelektrische Polarisation energieeffizient zu schalten. Besonders interessant ist dieser Ansatz für ultradünne Materialien wie WTe2, die nur aus wenigen Atomlagen bestehen und neue Perspektiven für kompakte elektronische Bauelemente bieten.
Die Studie verdeutlicht damit ein grundlegendes Prinzip der Lichtsteuerung: Nicht unbedingt eine höhere Energie, sondern eine besser abgestimmte Anregung kann entscheidend sein, um die gewünschten Eigenschaften eines Materials zu erreichen. Oder anders gesagt: „Work smarter, not harder!“
Originalpublikation
Horstmann, J.G., Emeis, C., Caviezel, A. et al. Coherent phonon control beyond amplitude saturation in a sliding ferroelectric. Nat. Phys. (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03491-1
