System für die magneto-optische Tieftemperatur-Spektroskopie

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562331884

Das beantragte Gerät soll für die magneto-optischen Tieftemperatur-Spektroskopie an zweidimensionalen (2D) Quantenmaterialien, insbesondere 2D-Halbleitern und ihren Heterostrukturen verwendet werden. Der experimentelle Fokus liegt auf der Grundlagenforschung zum Verständnis der gekoppelten optischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften dieser Materialien mittels Kontrollparametern wie z.B. Temperatur und Magnetfeld. Das Verständnis dieser Materialien dient als mögliche Grundlage für zukünftige Sensortechnologien oder für Anwendungen in der Spintronik oder (Quanten-)Optoelektronik. Von Interesse sind z.B. der magnetisch anisotrope Halbleiter CrSBr, die halbleitenden Übergangsmetall-Dichalkogenide, sowie Heterostrukturen aus diesen Materialien zur Untersuchung von Moiré- und Proximity-Effekten, als auch neue und noch weitgehend unerforschte 2D-Quantenmaterialien, wie z.B. weitere Übergangsmetall-Chalkogen-Halogenide. In Dual-Gate-Heterostrukturen dieser Quantenmaterialien, in denen durch Feldeffekt elektrostatisch dotiert und ein elektrisches Feld angelegt werden kann, sollen die verschiedenen exzitonischen Spezies (Exziton – Coulomb-gebundenes Elektron-Loch-Paar) sowie die emergenten Quanten-Vielteilchenzustände und ihre Phasenübergänge mittels Photolumineszenz-, Photolumineszenzanregungs-, und differentieller Reflektionsspektroskopie untersucht werden, um Aufschluss über ihre mikroskopischen Ursprünge zu geben. Ferner sollen die Quantenmaterialien in optische Mikrokavitäten eingebettet werden, um die Vielteilchenzustände unter starker Licht-Materie-Wechselwirkung zu untersuchen.Das beantragte Gerät, bestehend aus einem Trockenkryostaten mit Vektormagneten und optischem Zugang sowie Zubehör für die Nanopositionierung, optische Spektroskopie und das Vakuum, einem kontinuierlich durchstimmbaren Titan-Saphir-Laser, einem Superkontinuum-Laser, einem Spektrometer mit CCD-Kamera (CCD: charge-coupled device), sowie Verzögerungsplatten ermöglicht diese Messmethode. Der Trockenkryostat wird benötigt, um bei tiefen Temperaturen (ca. 4 K) mit stark reduzierten thermischen Effekten Exzitonen und Polaritonen (Quasi-Teilchen der starken Licht-Materie-Wechselwirkung) messen zu können und die Temperatur kontrollieren zu können. Der Vektormagnet erlaubt es Magnetfelder entlang verschiedener Kristallachsen anzulegen, was in magnetisch anisotropen Materialien wie CrSBr und zur Untersuchung von Moiré-Magnetismus essenziell ist, für ein vollständiges Bild der magneto-optischen Eigenschaften dieser Materialien. Der durchstimmbare Titan-Saphir-Laser wird als Anregungslaser für Photolumineszenz- und Photolumineszenzanregungsspektroskopie in einem weiten Spektralbereich verwendet. Der Superkontinuum-Laser dient als intensive Weißlichtquelle für die differentielle Reflektionsspektroskopie und als Anregungslaser für die Photolumineszenz. Das Spektrometer mit gekühlter CCD-Kamera dient zur spektral aufgelösten Detektion der Signale.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: System für die magneto-optische Tieftemperatur-Spektroskopie
• Gerätegruppe: 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)
• Antragstellende Institution: Technische Universität Braunschweig
• Leiterin: Professorin Dr. Farsane Tabataba-Vakili