Ein Terahertzpuls zerstört kurzzeitig die Kopplung der Elektronen

Cavalleri und seine Mitarbeiter fragten sich nun, ob sich dieser Transport zwischen den Schichten gezielt unterbrechen und wieder anschalten lässt. Theoretisch ist dies möglich, wenn man senkrecht zu den Schichten ein sehr starkes elektrisches Feld anlegt. „Wenn man das tut, erwärmt sich aber der Kristall, und die Supraleitung bricht zusammen“, erklärt Cavalleri. Die Lösung bestand darin, einen ultrakurzen Lichtpuls hineinzuschießen.

Dieser sogenannte Terahertzpuls ist eine elektromagnetische Welle, ähnlich wie Licht, nur mit größerer Wellenlänge. Sie führt ein elektrisches Feld mit sich, das beim Eindringen in den Kristall die Kopplung der Elektronenwellen zischen den Ebenen kurzfristig zerstört. Allerdings gelingt dies nur, wenn der Puls eine sehr hohe Feldstärke von mehreren zehntausend Volt pro Zentimeter erzeugt. Und er muss so kurz sein, dass der Kristall sich nicht erwärmt.

Solch extrem starke, ultrakurze Terahertzpulse lassen sich erst seit kurzem erzeugen. Dies ist die Aufgabe von Teammitglied Matthias Hoffmann. Stark vereinfacht gelingt dies, indem man einen ultrakurzen Laserpuls in einen Kristall aus Litiumniobat schießt. Durch einen Effekt, den Physiker optische Gleichrichtung nennen, entsteht dann in dem Kristall die gewünschte Terahertzstrahlung.

Wie erhofft gelang das Experiment, das Andreas Dienst in Oxford designed und ausgeführt hat: Für den kurzen Zeitraum von weniger als einer Pikosekunde (10^-12 Sekunden), während dem der Puls den Kristall durchquerte, war die Kopplung zwischen den Ebenen und damit die Supraleitung unterbrochen, anschließend kehrte sie wieder zurück. Der Supraleiter leidet durch diesen Vorgang nicht und lässt sich beliebig oft schalten

„Das ist ein sehr spannendes Ergebnis, weil wir mit dieser Methode auch die Funktionsweise von Hochtemperatur-Supraleitern untersuchen können“, sagt Cavalleri. Darüber hinaus sind auch Anwendungen dieses Effekts denkbar. Im Grunde funktioniert der schaltbare Hochtemperatur-Supraleiter sehr ähnlich wie ein Feldeffekt-Transistor. Das ist ein Halbleiter, dessen Stromdurchlässigkeit sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung steuern lässt. Analog wäre es denkbar, den Hochtemperatur-Supraleiter als ultraschnellen, nanoelektronischen Transistor einzusetzen, der mit Mikrowellen gesteuert wird.

TB