Kryogenische Terahertz-Nahfeld Mikroskopie/Spektroskopie von korrelierten Elektronensystemen

• Antragsteller: Aliaksei Charnukha, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 381693882

Stark korrelierte Elektronensysteme und die diversen emergenten Phänomene, die sie aufweisen, sind einige der Grundpfeiler heutiger Festkörperforschung. Ein enges, durch starke elektronische Korrelationen induziertes, Zusammenspiel von Gitter-, Bahn-, Spin-, sowie Ladungsfreiheitsgraden führt zu einer gewaltigen Komplexität korrelierter Phasen und physikalischer Eigenschaften. Dank der starken Zusammenkopplung der obengenannten Freiheitsgrade ist es möglich zwischen verschiedenen Phasen zu navigieren, mittels direkt zugreifbarer externer Parameter wie statische oder transiente Gitterdehnung, statische oder transiente electrische/magnetische Felder, und Temperatur. In vielen Fällen sind die Phasenübergänge der ersten Ordnung, was bedeutet eine Phasentrennung im Ortsraum und die Entstehung von Hysterese physikalischer Eigenschaften. Die Letztere ist von einer erheblichen technologischen Bedeutung, denn sie stellt langlebige Elektronenzustände zu Verfügung, die beliebig umgeschaltet werden können: die entscheidende Eigenschaft der Transistoren der Zukunft. Eine solche Verwirklichung ist besonders ansprechend angesichts minimales Kriechstroms, der weitere Verkleinerung und Stromverbrauchssenkung der heutigen elektronischen Geräte begrenzt. Es ist deswegen von grundlegender und technologischer Bedeutung, ein gutes Verständnis über die Entstehung, Dynamik, und Zusammenspiel zwischen verschiedenen korrelierten Phasen zu erreichen. Da die Phasentrennung typischerweise im Nano-/Mesobereich auftritt und die Phasen heufig sehr unterschiedliche Transporteigenschaften aufweisen (so wie der Metall-Isolator-Übergang im VO2), ist eine spektroskopische, niederenergetische und ultraschnelle optische Sonde notwendig, die im Nanobereich und bei tiefen Temperaturen funkzioniert. Bis heute wurde noch keine solche Sonde entwickelt. Das Hauptziel dieses Forschungsantrages ist das Aufbauen von einem solchen Instrument aufgrund einer einzigartigen Verbundung zweier schon vorhandenen und etablierten Forschungsmethoden: optische Nahfeldspektroskopie, die spektroskopische Untersuchungen der optischen Response der Quasiteilchen mit unter 10nm Ortauflösung erlaubt, und die zeitaufgelöste THz-Spektroskopie, die Zugriff auf statische und transiente niederenergetische optische Materialeigenschaften gewährt, und zwar die beiden bei kryogenischen Temperaturen bis unter 15K, die in der Festkörperforschung notwendig sind. Darüber hinaus, beinhaltet dieser Forschungsantrag einen klaren, risikoarmen und ertragreichen Versuchsplan für die erste Einsetzung von diesem Instrument zur Untersuchung der dringendesten Probleme der Grundlagen- und angewandten Forschung, deren Lösung unser Verständnis und Kontrolle der emergenten Phänomene in korrelierten Elektronensystemen voranbringen wird.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: THz Spectrometer ; complete UHV-compatible AFM solution
• Gerätegruppe: 1820 Nah-Infrarot-Spektralphotometer ; 5091 Rasterkraft-Mikroskope