Phonon-Materie Wechselwirkungen auf der Nanoskala

• Antragsteller: Professor Dr. Denis Seletskiy, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283908774

Akustische Phononen in Festkörpern mit Frequenzen im THz-Bereich sind durch Wellenlängen von wenigen Nanometern gekennzeichnet. Diese Längenskalen sind durch optische Methoden unerreichbar und ermöglichen die Untersuchung neuartiger Quanteneffekte im Nanometer-Bereich. Kohärente Impulse akustischer THz-Phononen können durch Bestrahlung planarer metallischer Mehrfachschichten mit ultrakurzen optischen Impulsen erzeugt werden. In Gold/Kobalt-Zweischichtstrukturen können kohärente Phononimpulse mit großen Amplituden erzeugt werden, die auf Nanometer-Skala akustische Nichtlinearitäten zeigen ohne die Materialien zu zerstören [Temnov2012]. Diese Verspannungsimpulse zeichnen sich durch einen Druck von einigen GPa und einer eindimensionalen räumlichen Beschränkung im Nanometer-Bereich aus. Sie eignen sich zum nicht-thermischen Schalten magnetostriktiver Materialien [Kovalenko2013].Dieses Projekt befasst sich mit Methoden zur Generation intensiver raum-zeitlich lokalisierter akustischer Störungen, um diese zur Kontrolle komplexer Quantensysteme zu nutzen. Dies würde eine Erweiterung der Methoden zur Erzeugung intensiver akustischer Impulse darstellen und Einblicke in Festkörperstrukturen auf derNanometer-Skala erlauben. In der ersten Phase dieses Projektes werden wir zwei Möglichkeiten untersuchen, kohärente akustische Pikosekundenimpulse in zwei und drei Dimensionen auf der Nanometer-Skala zu fokussieren. Zum einen wird die zweidimensionale Fokussierung akustischer Impulse durch optische Anregungeines einzelnen sub-Wellenlängen großen Loches in einem Kobaltfilm auf die Nanometer-Skala erweitert werden . Im zweiten [Perezil2011], anspruchsvollen Ansatz wird eine nanostrukturierte akustische Gold-Kobalt-Fresnellinse zur Fokussierung von Schallwellen auf unter 100 nm verwendet werden. Die entwickelten neuartigen Strukturen werden ein ideales System zur Störung und Kontrolle der Quantennaturvon Vielteilchenwechselwirkungen in nanoskopischen Festkörpersystemen darstellen. Messungen auf der Femtosekunden-Zeitskala der magneto-elastischen Wechselwirkung von Verspannungswellen mit der ferromagnetischen Präzession eines Nanomagneten im Fokus der Struktur werden als neuartiger Indikator einer erfolgreichen dreidimensionalen Fokussierung dienen und zur Untersuchung magneto-elastischerWechselwirkungen auf der Nanometer-Skala genutzt werden. Gleichzeitig werden verspannungsinduzierte Niveauverschiebungen von Exzitonen in einzelnen Quantenpunkten auf ultrakurzen Zeitskalen untersucht werden [Sotier2009, Huneke2011]. Erstmals können so druckabhängige Untersuchungen der Dynamikweniger Fermionen in äußerst stabilen einzelnen kolloidalen Quantenpunkten [deRoo2014] bei kryogenen Temperaturen mit der Möglichkeit eines induzierten strukturellen Phasenüberganges durchgeführt werden. Die dargestellten Experimente mit akustischen Phononen im THz-Frequenzbereich bilden die Grundlage fürneuartige ultraschnelle magneto- und opto-elastische nanoskopische Instrumente.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Vasily Temnov, Ph.D.