Licht dehnt Kristalle

Erstmals beobachten Forscher, wie sich halbleitende Metalloxide bei Lichteinfall verlängern

Einige Kunststoffe dehnen sich unter Lichteinfall aus. Die gleiche Reaktion beobachten nun französische Wissenschaftler erstmals an einem Kristall aus Bismutferrit. Sowohl mit kurzen Laserpulsen als auch unter einer normalen Glühlampe vergrößerte sich das halbleitende Metalloxid. In der Fachzeitschrift "Nature Materials" erläutern die Forscher den Effekt, der für neue mechanische Schalter verwendet werden könnte.

"Bismutferrit ist das interessanteste Material, in dem Polarisation, Magnetismus, Licht und mechanische Effekte miteinander wechselwirken", berichten Bohdan Kundys und seine Kollegen vom Centre de Saclay am Stadtrand von Paris. Für ihre Versuche legten sie einen anderthalb Millimeter langen und nur ein Zehntel Millimeter dicken Kristall aus dem vielseitigen Werkstoff unter ein Mikroskop. Beleuchtet mit roten Laserstrahlen, verlängerte sich der Kristall um einige Nanometer. Der gleichen Effekt ließ sich auch mit einer handelsüblichen 100 Watt-Glühlampe erzielen. Ohne Lichteinfall schrumpfte der Kristall wieder auf seine Ursprungsgröße zusammen.

Diese lichtinduzierte Vergrößerung geschieht binnen einer Zehntel Sekunde, so dass deutlich langsamer wirkende Wärmeeffekte ausgeschlossen werden konnten. Als Ursache für diese mechanische Deformation bei Raumtemperatur sehen die Wissenschaftler die Erzeugung von elektrischen Ladungsträgern über einen photovoltaischen Effekt. Im Kristall baut sich ein elektrisches Feld auf, das über das bekannte Phänomen der Elektrostriktion zu einer Umorientierung der Atome im Kristallgitter und damit zu der Vergrößerung führt.

Auch wenn die mechanische Deformation – Photostriktion genannt - relativ klein ist, ließe sich dieser Effekt für den Bau von lichtkontrollierten Mikromotoren oder optomechanischen Schaltern nutzen. Bismutferrit gilt als ein Paradebeispiel in der Materialklasse der Multiferroika. Diese vereinen einzigartige Eigenschaften, die zu neuartigen Sensoren, Datenspeichern und elektromechanischen Bauteilen führen könnten.