Photoinduzierte magnetoelektrische Spin Kontrolle in Antiferromagneten auf der femtosekunden Zeitskala
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Rahmen von PHOENICS durchgeführten Forschungsarbeiten zielen darauf ab, die Möglichkeit einer kohärenten Kontrolle der Spin-Bahn-Kopplung bei THz-Frequenzen zu untersuchen. Insbesondere haben wir Volumen Materialien ausgewählt, deren kristallographische Symmetrie einen zusätzlichen Beitrag zur Spin-Bahn-Kopplung ermöglicht, neben der atomaren Komponente, nämlich den sogenannten Rashba-Effekt. Eine bemerkenswerte Folge davon ist die Aufspaltung der Energiebänder. Symmetrieüberlegungen deuten darauf hin, dass der Rashba-Effekt durch spezifische Gittermoden kohärent moduliert werden kann. Als ersten Schritt haben wir uns darauf konzentriert, die Erzeugung und Detektion der entsprechenden Gittermoden zu etablieren. Im archetypischen Rashba-System BiTeI führten wir rein optische Experimente durch, bei denen wir die photoinduzierte Dynamik der optischen Reflexivität, ausgelöst durch Femtosekunden-Laserpulse, maßen. Durch die Anpassung der zentralen Photonenenergie der Anregungspulse im sichtbaren, nahen und sogar fernen Infrarotbereich gelang es uns, die kohärente Gittervibration anzuregen, die in Wechselwirkung mit der Rashba-Aufspaltung der Energiebänder stehen soll. Zunächst untersuchten wir das konventionelle Licht-Materie-Wechselwirkungsregime für displacive Anregung kohärenter Phononen (DECP), indem wir Interbandübergänge anregten. Wir stellten fest, dass die Gitterkohärenz von BiTeI überraschend robust gegenüber der Erzeugung von Ladungsträgern ist, insbesondere im Vergleich zu traditionellen III-V-Halbleitern. Konventionell kann der mikroskopische Mechanismus hinter DECP die beiden unterschiedlichen Beiträge zur Anregung von Phononen, nämlich die Erhöhung der Trägerdichte und die Erhöhung ihrer Temperatur, nicht voneinander trennen. Der Grund für diese Wissenslücke liegt darin, dass beide Prozesse durch die Photoanregung von Interbandübergängen ausgelöst werden. Daher untersuchten wir ein kaum erforschtes Regime der Licht-Materie-Wechselwirkung im Zusammenhang mit DECP. Mit Hilfe eines hochmodernen, selbst entwickelten Lasersystems nutzten wir Femtosekunden-Laserpulse im mittleren Infrarotbereich, um ausschließlich Intrabandübergänge anzuregen. Dabei ist zu beachten, dass diese Anregungsstrategie eine Änderung der Trägertemperatur bewirkt, während deren Dichte unverändert bleibt. Diese Anregung von BiTeI führte zur Aktivierung kohärenter Gittermoden und beantwortete experimentell eine grundlegende Frage, die seit über dreißig Jahren offen war. Eine Erhöhung der Trägertemperatur ist somit der Hauptmechanismus zur Erzeugung kohärenter Phononen über DECP. Um dieses besondere Regime der Gitterdynamik weiter zu erforschen, planen wir Experimente, bei denen BiTeI mit THz-Laserpulsen angeregt wird. Genauer gesagt, wird die Fähigkeit, das Zeitprofil der anregenden THz-Pulse zu manipulieren, es uns ermöglichen, den Versuch zu unternehmen, kohärente Phononen auf einer Zeitskala anzuregen, die kürzer ist als die elektronische Streuung. Während dieses Experiment noch in der Zukunft liegt, wurde die dafür erforderliche Methodik bereits entwickelt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Quantitative analysis of free-electron dynamics in InSb by terahertz shockwave spectroscopy. Physical Review B, 106(20).
Fischer, Peter; Fitzky, Gabriel; Bossini, Davide; Leitenstorfer, Alfred & Tenne, Ron
-
Revealing the Microscopic Mechanism of Displacive Excitation of Coherent Phonons in a Bulk Rashba Semiconductor
P. Fischer et al.
