Ultraschnelle Dynamik in atomar dünnen Übergangsmetalldichalkogeniden im Magnetfeld

• Antragsteller: Professor Dr. Rudolf Bratschitsch; Professor Dr. Andreas Knorr
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420760124

Atomar dünne halbleitende Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDs) vereinen einen nahezu idealen zweidimensionalen Einschluss freier Ladungsträger und eine stark reduzierte dielektrische Abschirmung gegenüber der Umgebung. Die Kombination von beidem führt zu ausgeprägt starker attraktiver Coulomb-Wechselwirkung zwischen Elektron-Loch-Paaren, die eine Vielzahl von hellen und dunklen Exzitonen sowie eng gebundene geladene Exzitonen (Trionen) und gebundene Zwei-Exzitonen-Zustände (Biexzitonen) bilden. Diese fundamentalen Anregungen spielen für die optischen Eigenschaften atomar dünner TMDs eine entscheidende Rolle und bieten für die Erforschung neuer Exzitonenphysik in zwei Dimensionen ideale Voraussetzungen. Insbesondere wird die ultraschnelle nichtlineare optische Antwort von atomar dünnen TMDs durch Vielteilchen-Exziton-, Exziton-/Elektronen- und Exziton-Phonon-Wechselwirkungen bestimmt. Folglich ist die Beeinflussung der Vielteilchen-Wechselwirkungen durch externe Magnetfelder, welche die exzitonischen Anregungskanäle und ihre Dynamik verändern, von besonderem Interesse für ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden mikroskopischen Prozesse, die das optische Verhalten bestimmen, und für zukünftige Anwendungen von atomar dünnen TMDs. Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, in einer gemeinsamen theoretischen und experimentellen Anstrengung die ultraschnelle Dynamik und die Relaxationsmechanismen innerhalb und zwischen verschiedenen Tälern der Bandstruktur der magnetfeldgesteuerten TMD-Exzitonen, Trionen und Biexzitonen in atomar dünnen TMDs aufzuklären. Experimentell werden wir die Dynamik in zeitaufgelösten Photolumineszenz- und Anrege-Abfrage-Experimenten in verschiedenen Magnetfeldgeometrien und mit kontrollierter Dotierung messen. Im theoretischen Teil planen wir, unseren mikroskopischen Formalismus der Anrege-Abfrage-Spektroskopie zu erweitern, um inkohärente, sich zeitlich entwickelnde Effekte wie Relaxation und Dephasierung sowie die Bildung dunkler Exzitonen einzubeziehen, die in Experimenten mit endlicher Verzögerungszeit dominieren. Diese Prozesse treten gleichzeitig in der zeitlichen Dynamik von Impuls- und Spin-hellen sowie Impuls- und Spin-dunklen Exzitonen auf. Die gewonnenen Erkenntnisse über die grundlegenden Vielteilchenprozesse, welche die ultraschnelle Dynamik in diesen nahezu zweidimensionalen Nanostrukturen bestimmen, werden für die Entwicklung neuartiger optoelektronischer Bauelemente auf TMD-Basis von entscheidender Bedeutung sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen