Licht lässt Leitfähigkeit sprunghaft ansteigen

Pullmann (USA) - Der Zufall brachte es an den Tag: Wird ein Einkristall aus Strontiumtitanat beleuchtet, so schnellt seine Leitfähigkeit sprunghaft an – der Halbleiterkristall leitet elektrischen Strom dann bis zu 400-mal besser als zuvor, und das sogar noch tagelang ohne weitere Beleuchtung. Diesen Effekt entdeckten US-Forscher nur zufällig an einem im Labor vergessenen Materialstück. Zunächst hielten sie ihn irrtümlich für eine Verunreinigung, schreiben sie in den „Physical Review Letters“. Das Besondere an ihrer Entdeckung ist der enorme, auch bei anderen Materialien unerreichte Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit sowie die Tatsache, dass er bei Raumtemperatur erfolgt. Die sogenannte „andauernde Photoleitfähigkeit“ (PPC) lässt das Material auch für den Einsatz in Computerchips geeignet scheinen und könnte deren Leistung enorm steigern.

„Die Entdeckung dieses Effekts bei Raumtemperatur eröffnet neue Möglichkeiten für praktische Anwendungen“, erläutert Matthew McCluskey, Physikprofessor an der Washington State University. „Im üblichen Computerspeicher wird Information an der Oberfläche eines Computerchips oder der Festplatte gespeichert. Nutzt er aber die persistente Photoleitfähigkeit, so könnte er Informationen im gesamten Volumen eines Kristalls ablegen“. McCluskeys damalige Doktorandin Marianne Tarun hatte per Zufall die erhöhte Leitfähigkeit des Strontiumtitanats erkannt, das einen Tag lang offen im Labor gelegen hatte. Strontiumtitanat (SrTiO3) und ähnliche Oxide sind dafür bekannt, ganz unterschiedliche Phänomene aufweisen zu können, von weitgehend widerstandsfreier Supraleitung bis zu kaum vorhandener Leitfähigkeit wie ein Isolator. Andere Forschungsgruppen hatten das Phänomen PPC bereits in verwandten Materialien erzeugen können, etwa in Galliuimnitrid, allerdings nie in diesem enormen Ausmaß.

Eine Reihe von Kontrolluntersuchungen zeigte, dass der vermeintliche Fehler keiner war: Wenn die Physiker ihren Einkristall bei Raumtemperatur zehn Minuten lang einer Beleuchtung aussetzten, hielt sich die verbesserte Leitfähigkeit für mehrere Tage. Bei einer Bestrahlung mit Licht unterhalb der Bandlückenenergie (ab 2,9 Elektronenvolt) stieg die Konzentration der freien Elektronen im Kristall um mehr als zwei Größenordnungen an. Auch mehrere Tage danach war dieser hohe Wert kaum abgesunken, berichten die Forscher. Aufgrund ihrer Messungen schreiben sie den anhaltenden Effekt bestimmen Defekten im Kristallgitter zu: einer Leerstellenbildung mit sehr niedriger Neigung zur Rückkehr in den ursprünglichen Zustand.