Beiträge zu den Jahrbüchern der MPG

Ob Kristallstrukturen mit ihrem Spiegelbild übereinstimmen bestimmt normalerweise, wie sich Elektronen darin verhalten dürfen. Forscher am MPSD haben mit einem internationalen Team nachgewiesen, dass die Elektronen des Kagome-Supraleiters CsV₃Sb₅ überraschenderweise nicht spiegelsymmetrisch sind, obwohl es die Kristallstruktur eigentlich ist. Die Elektronen ordnen sich selbst nicht spiegelsymmetrisch an und die Ordnung kann mit Magnetfeldern verändert werden – ein bisher nicht bekanntes Phänomen. Diese schaltbare Händigkeit könnte in zukünftigen Technologien Anwendung finden.

 In den letzten Jahren ist es gelungen, kurze und starke Laserpulse mit vielen Photonen zu erzeugen, die auf extrem schnellen Zeitskalen mit Materialien wechselwirken und das Verhalten dieser Materialien verändern. Im benachbarten Forschungsgebiet der Quantenoptik stehen dagegen die Quantenfluktuationen des Lichts im Mittelpunkt, bei denen nur wenige virtuelle Photonen im Vakuum entstehen und wieder verschwinden. Am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg schlagen wir nun eine Brücke zwischen diesen beiden Bereichen. Wir erforschen das Potenzial von klassischem und Quantenlicht, um Designermaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu kreieren, die neue energiesparende und quantentechnische Anwendungen ermöglichen könnten.

Wie hat die Natur biologische Strukturen optimiert, um chemische Prozesse optimal in lebende Systeme umzuwandeln? Bei der Überschreitung chemischer Barrieren (etwa 100 Femtosekunden) wurde vorgeschlagen, dass die Natur Form und Funktion so optimiert, dass Quanteneffekte gezielt genutzt werden, um die Kohärenz auszudehnen - einschließlich der elektronischen Kohärenzen, die empfindlich auf Umgebungsschwankungen reagieren. In enzymatischen Prozessen, die Mikrosekunden andauern, steuern stochastische, thermisch angetriebene Bewegungen die Chemie, um biologische Funktionen anzutreiben.

Supraleiter zeigen die bemerkenswerte Eigenschaft, elektrischen Strom bei sehr tiefen Temperaturen widerstandslos leiten zu können. Der Einsatz dieser Materialien im alltäglichen Leben ist allerdings dadurch begrenzt, dass dafür Temperaturen von mindestens −70°C notwendig sind. In Kohlenstoff-basierten Molekülen gelang es nun, durch Bestrahlung mit intensiven mittelinfraroten Laserblitzen den supraleitenden Zustand kurzfristig bei höheren Temperaturen zu erreichen. Die Erkenntnisse helfen bei der Entwicklung neuer Materialien, die bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden.

Die Eigenschaften eines Materials, z.B. seine Leitfähigkeit, können durch Wechselwirkung mit Licht gezielt verändert werden. Dies kann mittels vieler Photonen in Form eines Laserstrahls geschehen, in manchen Fällen genügen aber bereits wenige Photonen. Forscher der Theorie-Abteilung am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg verwenden beide Extreme, um neuartige Zustände der Materie zu untersuchen: Mit Lasern können bisher unbeobachtete Materiezustände theoretisch erzeugt werden, und chemische Reaktionen lassen sich durch den Einfluss weniger Photonen verändern.

Viele Prozesse in der Chemie des Lebens finden auf ultrakurzen Längen- und Zeitskalen statt. Ihre Beobachtung liegt damit jenseits der Möglichkeiten optischer Mikroskopie. Die Untersuchung solcher Prozesse mithilfe neuartiger Elektronenquellen stellt in vielen Fällen eine kostengünstige Alternative zu Röntgenuntersuchungen mit Synchrotronstrahlungsquellen und Freie-Elektronen-Lasern dar. Auch die Entwicklung von Methoden zur Bereitstellung flüssiger Proben ist essentiell für die Untersuchung vieler organischer Materialien.

Supraleiter können elektrischen Strom ohne jeden Widerstand transportieren, allerdings nur bei sehr tiefen Temperaturen. Mithilfe von kurzen mittelinfraroten Laserblitzen gelang es nun erstmals, eine Keramik bei Raumtemperatur supraleitend zu machen – wenn auch nur für wenige Pikosekunden. Es zeigte sich, dass dieser lichtinduzierte Zustand auf einer Verschiebung besonderer Atome des Kristallgitters basiert. Diese Erkenntnis könnte bei der Entwicklung von Materialien helfen, die bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden und dadurch für neue Anwendungen interessant wären.