Untersuchung elektronischer Korrelationen, Exzitonik und Topologie auf ultraschnellen Zeitskalen in van der Waals-Heterostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Ralph Ernstorfer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443366970

In unserer früheren Arbeithaben wir unsere Bemühungen auf zwei Hauptziele ausgerichtet. Erstens haben wir den Informationsgehalt der statischen und zeitaufgelösten ARPES über die Streuung der Elektronenenergieeigenwerte und die Besetzung von Zuständen hinaus auf Informationen über die Eigenfunktionen und topologischen Eigenschaften untersucht und erweitert. Bei der Untersuchung mehrerer halbleitender und halbmetallischer van der Waal-Materialien haben wir die Orbital-Topologie der elektronischen Bänder kartiert, die Schlüsseleigenschaften von Exzitonen einschließlich der Größe ihrer Wellenfunktionen dynamisch ermittelt, das Konzept der Abbildung elektronischer Bänder auf angeregte Zustände erweitert und die dynamische Kontrolle eines Lifshitz-Übergangs demonstriert.Zweitens wandten wir diese Ansätze auf Heterostrukturen an und untersuchten den Ladungs- und Energietransfer an Grenzflächen in 2D-Grenzflächen wie Au/WSe2 und WSe2/Graphen. Die Erkenntnisse aus diesen Studien haben wesentliche Einblicke in die Elektronendynamik solcher Systeme ermöglicht und eine solide Grundlage für den vorliegenden Forschungsantrag geschaffen. In der kommenden Förderperiode wollen wir die Komplexität von 2DHeterostrukturen vollständig erforschen. Wir konzentrieren primär auf Heterostrukturen basierend aus WSe2 und MoTe2. Die Überlagerung von Monolagen der hexagonalen H-Phase dieser Materialien führt zu einer Moirè-Modulation des Potenzials. Dieses System hat in jüngster Zeit durch die Beobachtung von korreliertem emergentem Verhalten und abstimmbaren Modifikationen der Bandentopologie eine Welle des Interesses erfahren. Dieses System, das manchmal als "einfacher" abstimmbarer Baukasten zur Erzeugung korrelierter Physik angepriesen wird, wird gerade erst erforscht und ist noch weit davon entfernt, verstanden zu werden. Die Debatte darüber, wie (und ob) die stark korrelierte Natur der Moiré-Bänder in die topologische Physik eingeht, ist offen. Darüber hinaus existiert MoTe2 auch in einer verzerrten oktaedrischen Phase (Td), die ein Weyl-Typ-II-Halbmetall mit einer nicht-trivialen und leicht gestörten Bandentopologie ist. Es ist möglich, durch elektrostatische Dotierung, Laserbestrahlung und Dehnung zwischen den Phasen zu wechseln, und die Bedeutung dieses strukturellen Übergangs für die in der Heterostruktur beobachteten Phänomene muss noch untersucht werden. Unser Ziel ist es, den direkten Einblick, den die winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) und die zeitaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (tr-ARPES) bieten, zu nutzen, um die komplizierte Physik, die in diesen komplexen Schichtsystemen zu Tage tritt, aufzuklären. Angesichts der jüngsten Fortschritte bei den Probenvorbereitungstechniken und unserer neu entwickelten Instrumente zur Kartierung der Topologie der elektronischen Bänder,der exzitonischen Zustände und der Ladungstransferdynamik sind wir gut positioniert, um dieses rätselhafte System zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2244: 2D Materialien – die Physik von van der Waals [Hetero-]Strukturen (2DMP)
• Mitverantwortlich: Dr. Tommaso Pincelli