Supraleitendes Magnetkryostatsystem für Terahertz-Spektroskopie

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495542626

Der beantragte Magnetkryostat für THz-Spektroskopie erlaubt unserer Gruppe, Quantenelektrodynamik in Mikroresonatoren (c-QED) im Bereich ultrastarker Kopplung und darüber hinaus („deep-strong coupling“) zu untersuchen. Auf Basis einer von unserer Gruppe entwickelten, parameterfreien numerischen Methode designen wir extrem stark Licht-Materie gekoppelte Strukturen für c-QED-Experimente sowie Resonatoren, welche THz-Experimente mit atomar hohen Feldstärken ermöglichen. Diese Subwellenlängenkontrolle ist ein zentraler Baustein, um extreme Grenzbereiche der Licht-Materie-Wechselwirkung zu erforschen, in denen starke Nichtlinearitäten auf Zeitskalen unterhalb eines optischen Zyklus auftreten. Zu unseren kürzlichen Ergebnissen zählen nicht-perturbative Dynamik von Landau-Elektronen jenseits von Kohns Theorem, dynamische Blochoszillationen und die Erzeugung hoher Harmonischer in Festkörpern, Lichtwellenbeschleunigung von Dirac-Oberflächenelektronen von topologischen Materialien, minimal dissipatives Schalten von Spins, nicht-adiabatische Kontrolle von extrem stark Licht-Materie-gekoppelten Elektronen in THz-Resonatoren und Rabi-Flopping ultrastark gekoppelter Systeme auf der Zeitskala der Oszillation der Trägerwelle.Das beantragte System erlaubt uns, diese Forschung fortzuführen und neue Grenzbereiche der Subzyklenphysik in Festkörpersystemen zu erkunden. Die wesentlichen Merkmale des Magnetkryostaten umfassen Felder bis zu 6 T in Kombination mit einer ungewöhnlich großen und symmetrischen numerischen Apertur, welche einem vollen Öffnungswinkel von 45° entspricht. Diese Geometrie ermöglicht eine starke Fokussierung der THz-Strahlung und somit die Erzeugung sehr hoher Feldstärken. Hiermit werden wir die Nichtgleichgewichtsdynamik ultrastark gekoppelter Strukturen auf Subzyklenzeitskalen erforschen und dabei die Kopplungsstärke durch Nanostrukturen der nächsten Generation derart optimieren, dass die Vakuum-Rabifrequenz die Trägerfrequenz des Lichtfeldes deutlich übersteigt. Darüber hinaus werden wir neuartige Konzepte der c-QED wie supraleitende Systeme oder Übergangsmetalldichalcogenide in magnetischen Feldern untersuchen. Die systematische Untersuchung des Übergangs von linearen zu nicht-perturbativ nichtlinearen Effekten stellt dabei eine Fülle neuartiger Effekte wie beispielsweise Nichtlinearitäten hoher Ordnung, nichtklassische Lichtzustände, die Erzeugung neuer Resonanzen durch Nichtlinearitäten, sowie Phasenübergange in Aussicht.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Supraleitendes Magnetkryostatsystem für Terahertz-Spektroskopie
• Gerätegruppe: 0120 Supraleitende Labormagnete
• Antragstellende Institution: Technische Universität Dortmund
• Leiter: Professor Dr. Christoph Lange