De bijzondere leerstoel Ultrafast X-ray science sluit aan bij de onderzoeksgroep quantum electron matter waar grensverleggend onderzoek gedaan wordt aan complexe elektronische materialen die nog niet bekende eigenschappen vertonen, zoals electronic phase separation en andere vormen van elektronische organisatie. Dit betreft o.a. nieuwe typen supergeleiders, b.v. zogenaamde ijzer-pnictide supergeleiders die relevant zijn voor digitale data opslag en toekomstige information processing.

De technieken die essentieel zijn bij het uitvoeren van dit onderzoek omvatten röntgen- (x-ray) en laserspectroscopie, recentelijk geïntegreerd in de vierde-generatie lichtbronnen welke chemische gevoeligheid en magnetische specificiteit combineren met uitzonderlijke tijdresolutie (sub-picoseconde).

Een picoseconde

In het kader van de samenwerking tussen het Institute of Physics (IoP), waar de leerstoel is gepositioneerd, en het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) van het Stanford Institute for Materials & Energy Science (SIMES) is bepaald wat de minimale tijd is waarbinnen het natuurlijke mineraal magnetiet (Fe₃O₄) elektrisch kan schakelen. Samen met een internationaal onderzoeksteam is het gelukt om direct te meten dat het maar één picoseconde duurt om dit oxide te laten schakelen van isolerend naar geleidend gedrag: dat is duizend keer sneller dan de beste grafeentransistoren. Deze resultaten kunnen leiden tot betere transistoren: de kleine aan/uit-schakelaars van computerchips. Zo'n innovatie is een eerste stap naar snellere, krachtigere processoren die minder stroom gebruiken.

Laserpuls

In het onderzoek werd het magnetiet blootgesteld aan een krachtige laserpuls van zichtbaar licht. Deze lichtpuls breekt de geordende patronen waarin de elektronen vastzitten. Die breking is het startschot van een proces waardoor het magnetiet uiteindelijk geleidend wordt. Kort na die eerste stap, volgt een ultrakorte, ultraheldere puls van de Linac Coherent Light Source (LCLS) bij SLAC National Accelerator Laboratory. Met deze röntgenlaser wist het onderzoeksteam voor het eerst de tijdschalen en details van de veranderingen in het magnetiet door de oorspronkelijke laserpuls waar te nemen.

Contact

Prof. dr. H. Durr, e-mail: hdurr@slac.stanford.edu

Referentie

'Speed limit of the insulator–metal transition in magnetite', S. de Jong et al., Nature Materials, 28 July 2013 (10.1038/NMAT3718)