Cornell-ingenieurs hebben een nieuwe methode ontwikkeld om materiaaleigenschappen te beïnvloeden met behulp van extreem snelle pulsen van infrarood licht. Door deze pulsen toe te passen op synthetische dunne films, kunnen ze de atomaire structuur van het materiaal op nanoschaal laten uitzetten en krimpen. Dit 'ademhalings'-effect, gedreven door spanning, biedt de mogelijkheid om elektronische, magnetische of optische eigenschappen van een materiaal razendsnel aan en uit te schakelen.
De studie, gepubliceerd op 12 september 2025 in *Physical Review Letters*, werd geleid door Jakob Gollwitzer en Jeffrey Kaaret. Het onderzoeksteam, waaronder Associate Professors Nicole Benedek en Andrej Singer, onderzocht de manipulatie van materiaaleigenschappen met licht, een benadering die minder is onderzocht dan traditionele methoden met mechanische spanning. Benedek gebruikte computationele theorie om optimale lichtfrequenties en experimentele parameters te voorspellen.
Deze, in combinatie met geschikte materialen, bleken cruciaal voor het bereiken van omkeerbare 'dynamische' spanning – een tijdelijke vormverandering die verdwijnt, in tegenstelling tot statische spanning. Lanthanum aluminate werd gekozen vanwege zijn eenvoud en minimale inherente eigenschappen, wat het ideaal maakte voor het bestuderen van licht-geïnduceerde spanningseffecten. De onderzoekers gebruikten picoseconde-pulsen van terahertz-licht om specifieke atoombewegingen te exciteren, wat leidde tot snelle uitzetting van het kristalrooster.
Dit proces induceerde niet alleen de gewenste spanning, maar verbeterde ook permanent de kristallijne structuur van het materiaal, wat resulteerde in een meer geordende staat. Dit onderzoek opent nieuwe wegen voor het beheersen van materiaaleigenschappen met licht, met potentiële toepassingen in onder andere ultrasnelle schakelaars, instelbare supergeleiders en dynamische sensoren.
Het begrijpen van de interactie tussen licht en complexe oxide-materialen stelt onderzoekers in staat om eigenschappen te ontsluiten die niet haalbaar zijn met standaardmethoden. Verder onderzoek heeft aangetoond dat terahertz-licht, dat zich tussen microgolven en infrarood licht bevindt, unieke eigenschappen heeft voor het onderzoeken van interne materiaalstructuren. Het is niet-ioniserend en kan veel niet-geleidende materialen penetreren, wat het een krachtig hulpmiddel maakt voor kwaliteitscontrole in de industrie en voor materiaalonderzoek.
De mogelijkheid om de atomaire structuur van materialen te manipuleren met terahertz-pulsen kan leiden tot de ontwikkeling van de snelste processors en nieuwe vormen van dataopslag die robuuster zijn tegen externe invloeden. De techniek van 'dynamische spanning' is een gebied dat nog volop in ontwikkeling is, waarbij de interactie tussen licht en materialen op atomair niveau wordt bestudeerd om nieuwe functionaliteiten te ontsluiten. Deze bevindingen, die de basis leggen voor controle over materiaaleigenschappen met licht, markeren een belangrijke stap voorwaarts in de materiaalwetenschap en de ontwikkeling van geavanceerde technologieën.