Inelastische Spin-Photon-Wechselwirkungen in Ramanstreuung und Spin-Rausch-Spektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Jean Geurts
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322983129

Die Untersuchung von Spinphänomenen in kondensierter Materie stellt eines der Hauptgebiete der modernen Physik dar. Die neuen Konzepte zur Informationsverarbeitung und Speicherung auf der Basis der Spintronik wurden bereits in Rechnerhardware implementiert und führten zum Physiknobelpreis 2007. Während die existierenden modernen Datenspeicher auf metallischen Schichtsystemen beruhen, bietet auch der Halbleiterzweig der Spintronik ein breites Anwendungspotenzial im Hinblick auf integrierte onchip Spinlogik, Quanteninformation, Einzelphotonquellen für Quantencomputing und Kryptographie. Dieser Sachverhalt begründet das Hauptziel dieses Projekts: einen tieferen Einblick in die Physik der Spin-Photon-Wechselwirkung in Halbleitern zu liefern als Basis für optische Spinmanipulationen. Im beantragten Projekt soll dieses Ziel durch die Kombination von Spin Flip Ramanspektroskopie (SFRS) und Spin-Rausch-Spektroskopie (SNS) erreicht werden. SFRS ist seit den 1960ern eine etablierte Methode zur Untersuchung von Spinsystemen, während SNS als aufstrebendes Konzept seit etwa einem Jahrzehnt aufgrund ihrer spezifischen Vorzüge große Aufmerksamkeit erfährt. Wie theoretisch gezeigt wurde, sind die beiden Methoden eng verwandt, da sie zwei Aspekte des gleichen physikalischen Phänomens darstellen. Allerdings wurde diese tiefe Verwandtschaft aus historischen Gründen nie voll gewürdigt, was zu getrennten Entwicklungen der beiden experimentellen Techniken und ihrer theoretischen Beschreibungen führte. Infolgedessen blieben einige wesentliche Fragen unbeantwortet und gibt es noch kein verallgemeinertes Verständnis. Insbesondere ist ihre Analogie vielversprechend für eine vollständige theoretische Entwicklung und experimentelle Beobachtung eines neuen kohärenten optischen Phänomens, das man als Spin Flip Reflexion bezeichnen kann. Dieser neuartige optische Respons kann als ein Hybrid betrachtet werden, das einige der Eigenschaften des SNS-Signals beinhaltet. Außerdem wollen wir uns einem weiteren Aspekt widmen, wo die verallgemeinerte Betrachtung von SFRS und SNS vertieft werden kann. Es handelt sich um den Vergleich der paramagnetischen Resonanz mit dem Spin-Rauschen lokalisierter Spins bei Beobachtung an denselben Proben um hiermit die komplementären theoretischen Beschreibungen zu verknüpfen. Als wichtigste Resultate des Projekts erwarten wir (i) den experimentellen Nachweis eines neuartigen optischen Responses eines Halbleiters, und (ii) den Gewinn eines experimentell untermauerten Verständnisses von SFRS und SNS aus einem gemeinsamen Blickwinkel. Zur Optimierung der Effizienz wollen wir ebenfalls unabhängige vertiefende Untersuchungen von SFRS und SNS angehen und hiermit die etablierte Kooperation der Russischen und Deutschen Forscherteams fortsetzen. Konkret werden hierzu in Deutschland Untersuchungen von Mehrteilchen-Anregungen mittels SFRS fortgesetzt, während in Russland neue experimentelle Anordnungen für die SNS Spektroskopie entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Kooperationspartner: Dr. Alexei Koudinov