Laserpuls verleiht Glas metallische Eigenschaften

Quarzglas leitet keinen Strom und ist damit ein klassisches Beispiel für einen elektrischen Isolator. Doch mit ultrakurzen Laserpulsen ist es möglich, die elektronischen Eigenschaften von Glas so zu verändern, dass sich das Glas für sehr kurze Zeit wie ein Metall verhält. Eine Gruppe um Georg Wachter von der TU Wien konnte diesen Effekt nun mithilfe von Computersimulationen erklären und veröffentlichte die Ergebnisse im Journal „Physical Review Letters“.

Geschlossene um eine Kugelform herum konzentrische Linien deuten die Elektronendichte an
Elektronendichte zwischen Atomen

In Experimenten hatte man elektrischen Stromfluss in Quarzglas beobachtet, wenn dieses von einem Laserpuls getroffen worden war. Nach dem Ende des Laserpulses war das Material wieder in seinen Ausgangszustand zurückgekehrt. Die Computersimulationen des Forscherteams erlauben den Vorgang in seinem zeitlichen Verlauf zu verfolgen. „Der Laserpuls ist ein extrem starkes elektrisches Feld, das die Zustände der Elektronen im Quarz dramatisch verändert“, erklärt Wachter. „Der Puls kann nicht nur Energie auf die Elektronen übertragen, er kann die gesamte Struktur der möglichen Elektronenzustände im Material verbiegen.“ Manche zuvor gebundenen Elektronen sind während des Pulses frei beweglich wie in einem Metall. Das elektrische Feld des Pulses treibt die nun freien Elektronen gezielt in eine bestimmte Richtung, wodurch der Strom zu fließen beginnt. Bei sehr starken Laserpulsen hält dieser Stromfluss sogar noch für eine kurze Weile an, nachdem der Puls selbst schon wieder abgeklungen ist. Die Berechnungen der Wissenschaftler zeigten, dass die Kristallstruktur und die chemischen Bindungen im Material einen überraschend großen Einfluss auf den Stromfluss haben.

In der Technologie werden Transistoren verwendet um Schaltvorgänge zu realisieren. Der Isolator-Metall-Übergang, den der Laserpuls auslöst, wirkt ebenfalls wie ein Schalter. Da die Laserpulse aber etwa tausendmal schneller schalten als Transistoren, könnten sie für eine extrem schnelle lichtbasierte Elektronik genutzt werden.