Ferninfrarotspektroskopie von neuartigen Halbleitermaterialien in Megagauss-Magnetfeldern unter Verwendung von Quantenkaskadenlasern

• Antragsteller: Dr. Lutz Schrottke, seit 6/2022
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406758122

Magnetospektroskopie bei Terahertz(THz)-Frequenzen in Megagauss(MG)-Magnetfeldern ist eine innovative Methode für die Untersuchung neuartiger Halbleitermaterialien, die durch die Entwicklung von THz-Quantenkaskadenlasern (QCLs) und die Erzeugung von gepulsten Magnetfeldern mit Feldstärken oberhalb von 1 MG (100 T) ermöglicht wurde. Das wesentliche Ziel dieses Projekts ist das Zusammenwirken von führenden Wissenschaftlern aus beiden Arbeitsgebieten. Die Realisierung dieser Methode würde die Zyklotronresonanzspektroskopie für die Bestimmung der effektiven Masse von Ladungsträgern in Materialien mit niedrigeren Beweglichkeiten erschließen.In diesem Projekt werden wir ein THz-Magnetospektrometer für die Nutzung in MG-Feldern unter Verwendung von kompakten THz-QCLs als Quelle für die Ferninfrarotstrahlung, die in unmittelbarer Nähe von Magneten mit MG-Feldern installiert werden können, realisieren. QCLs mit optimierten Leistungsparametern werden für diese Anwendung entwickelt. Als Machbarkeitsnachweis wird die Zyklotronresonanzspektroskopie auf die Untersuchung der effektiven Elektronenmasse in einer Serie von MnSi-Proben mit stöchiometrischer und nicht-stöchiometrischer Zusammensetzung angewendet.Wir werden die effektive Elektronenmasse von MnSi direkt mit Hilfe von Zyklotronresonanzabsorptionmessungen untersuchen. Die Absorption tritt auf, wenn die Frequenz der einfallenden Strahlung genau mit der Zyklotronfrequenz übereinstimmt. Die Bedingung für die Beobachtbarkeit erfordert, dass das Elektron einen Zyklotronumlauf vor einem Streuereignis abschließt, und führt in Verbindung mit der großen effektiven Masse und der niedrigen Beweglichkeit der Elektronen in MnSi zu Anregungswellenlängen im THz-Bereich. Gleichzeitig erreichen die Magnetfeldstärken den MG-Bereich. Zyklotronresonanzspektroskopie im THz-Bereich unter der Verwendung von MG-Feldern ist bisher noch nicht gezeigt worden.Für die Experimente in MG-Magnetfeldern werden THz QCLs mit einer konstanten Ausgangsleistung und Emissionsfrequenz über 20 Mikrosekunden benötigt. Gleichzeitig sollten die Spitzenleistungen 10 mW übersteigen. Bereits existierende QCLs sind Ausgangspunkt, um diese für THz-Transmissionsexperimente in gepulsten Magnetfeldern anzupassen. Die Emissionseigenschaften dieser Laser müssen daraufhin untersucht werden, inwieweit diese unter den ungewöhnlichen Bedingungen während der Erzeugung von Magnetfeldern oberhalb von 1 MG betrieben werden können. Die Ausgangsleistung dieser Laser muss optimiert werden, um ein hinreichend großes Signal-Rausch-Verhältnis während des Magnetfeldpulses zu erreichen. Die notwendige Pulslänge von 20 Mikrosekunden liegt zwischen der derzeitigen Pulslänge von weniger als einer Mikrosekunde im Pulsbetrieb und unendlich langen Pulsen im Dauerstrichbetrieb von THz-QCLs. Während wir bereits gezeigt haben, dass solche Pulslängen möglich sind, muss die erforderliche Frequenz- und Leistungsstabilität für diese ziemlich langen Pulse noch gezeigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Oleksiy Drachenko
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Holger Grahn, bis 6/2022