Zirkulare Phononik: Gitterdrehimpuls zur Steuerung von Materialeigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Maehrlein
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469405347

Im Allgemeinen sind die physikalischen Eigenschaften und Gleichgewichtszustände von Materie durch die strukturelle Anordnung von Atomen und deren Symmetrie definiert. Wenn wir diese räumliche Struktur auf ultrakurzen Zeitskalen mit Hilfe eines Laserpulses kontrolliert modulieren oder ändern können, können transiente Zustände mit neuen Materialeigenschaften auf Abruf erzeugt werden. Solche Nicht-Gleichgewichtszustände und ihre Übergänge sind fundamental durch Erhaltung und Austausch von Energie, Impuls und Drehimpuls bestimmt. Obwohl der Austausch von Energie und Linearimpuls zwischen Atomgitterschwingungen (Phononen) und anderen Freiheitsgraden ein etabliertes Konzept der Festkörperphysik ist, wird der Phononen-Drehimpuls üblicherweise nur angenommen, um die Drehimpulserhaltung zu erfüllen - seine aktive Kontrolle ist jedoch noch ausstehend.Mein Team und ich werden daher in diesem Projekt Phononenzustände mit definiertem Drehimpuls präparieren und kohärent steuern, um daran gekoppelte elektronische und Spin-Freiheitsgrade zu untersuchen und aktiv zu lenken. Dies soll den Phononen-Drehimpuls als neuen, ultraschnellen Schalter für Materialeigenschaften etablieren. Dazu werden wir zu Beginn die Erzeugung und Detektion von zirkular polarisierten kohärenten Phononen in prototypischen Materialien demonstrieren. Danach wenden wir uns Van der Waals gebundenen Halbleitern und Weyl-Halbmetallen mit inhärent chiralen Gittermoden zu. In diesen Zeitumkehr-gebrochenen Systemen werden uns zirkulare, in der Lagenebene schwingende Phononen eine neue non-invasive Handhabe für Spin- und Valleytronics ermöglichen. Zusätzlich könnten zirkulare Schermoden neue Moiré Potentiale erzeugen oder bestehende modulieren und somit den Weg für dynamische „Twistronic“ ebnen. Schlussendlich wird unser Ansatz die Umkehrung der Fragestellung nach der Senke des Drehimpulses während der ultraschnellen Demagnetisierung erlauben. Hierfür werden wir einen inversen ultraschnellen Einstein-De-Haas-Effekt anstreben, indem wir aktiv Drehimpuls aus dem Atomgitter ins geordnete Spinsystem eines magnetischen Isolators transferieren und damit schlussendlich die Felder der Phononik und Magnonik verbinden.Für die Umsetzung dieses Vorhabens werden wir im Rahmen des Projekts phasenstabile hochintensive THz und mittel-infraroten (MIR) Laserquellen mit von Schuss zu Schuss wechselbarer Helizität entwickeln. Diese technologische Entwicklung wird neue Möglichkeiten der Ultrakurzzeit-Spektroskopie und feldgetriebener Phänomene eröffnen, zum Beispiel zur Erforschung von THz-Zirkulardichroismus von Molekülen, helizitätsaufgelöster Vibrationsspektroskopie und Hall-Effekten im THz und MIR Spektralbereich. Zusammenfassend werden wir mit diesem Forschungsprojekt das Arsenal der Kontrolle durch strukturelle Dynamik mit der fundamentalen Größe Gitterdrehimpuls ausstatten und somit eine neue Dimension der ultraschnellen Kontrolle von Materialeigenschaften ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen