Magnetische und multiferroische Exzitonen und Polaritonen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Farsane Tabataba-Vakili
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566800530

Es gibt eine steigende Nachfrage nach maßgeschneiderten synthetischen Materialien mit vielseitigen Funktionen, die vielfältige und dynamische technologische Bedürfnisse adressieren. Zweidimensionale (2D) Materialien, die seit zwanzig Jahren von der wissenschaftlichen Gemeinschaft untersucht werden, bieten eine ideale Plattform für diese technologische Nachfrage, sowie ein reiches Betätigungsfeld für Untersuchungen von exotischer Quanten-Vielteilchenphysik. Mögliche Anwendungen reichen von Optoelektronik und Photonik zu Spintronik und Valleytronik zu Quantencomputing und Quanteninformation. Der Design-Werkzeugkasten dieser 2D-Materialien wächst stetig und enthält nun Metalle, Isolatoren, Halbleiter, Supraleiter, Ferromagnete, Ferroelektrika, Multiferroika und mehr. Wenn Lagen von 2D-Materialien in artifiziellen Heterostrukturen aufeinandergestapelt werden, entstehen neue physikalische Eigenschaften, z.B. durch Proximity- oder Moiré-Effekte. Proximity-Effekte treten auf, wenn ein Material durch Quanteninteraktionen mit einem benachbarten Material neue physikalische Eigenschaften übernimmt, wodurch multifunktionale Heterostrukturen erzielt werden können. Wenn Lagen gleicher Materialien mit einem Drehwinkel oder ähnliche Materialien mit verschiedenen Gitterkonstanten ohne Verdrehung aufeinandergestapelt werden, entsteht ein Moiré-Übergitter, welches in einer periodischen Potentiallandschaft für Elektronen, Löcher und Exzitonen resultiert. Das Moiré-Potential verursacht neue und emergente korrelierte Vielteilchenphysik mit Demonstrationen von Supraleitung, Moiré-Exzitonen und -Polaritonen, korrelierten isolierenden Zuständen und Moiré-Magnetismus. Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist es magnetische und multiferroische Moiré-Exzitonen und -Polaritonen basierend auf verdrehten 2D-Magneten als eine Plattform für Quantenoptoelektronik und Quantensimulation zu entwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen, werden 2D magnetische Halbleiter verdreht, mit 2D-Ferroelektrika kombiniert und in optische Mikrokavitäten eingebettet. Diese 2D-Heterostrukturen stellen eine ergiebige Plattform für einzigartige und neuartige Kopplung zwischen Moiré-Exzitonen oder -Polaritonen und exotischen nicht-kollinearen magnetischen Spinstrukturen dar, ermöglicht durch die Korrelationen von Exzitonen und der magnetischen Ordnung sowie Exziton-Magnon-Kopplung. Das Projekt wird neue und emergente Moiré-Vielteilchenphysik hervorbringen mit Anwendungen in neuartigen multifunktionalen quanten-optoelektronischen Bauelementen, wie z.B. spintronische und multiferroische Lichtmodulatoren und als hochgradig einstellbare Quantensimulatoren für exotische magnetische Phasen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Gruppen
• Großgeräte: Closed-cycle cryostat with 9-1-1 T vector magnet and accessories ; Open-fiber cavity ; Pulsed titanium-sapphire laser ; Spectrometer + CCD
• Gerätegruppe: 1800 Spektralphotometer (UV, VIS), Spektrographen (außer Monochromatoren 565) ; 5700 Festkörper-Laser ; 5980 Faseroptische Bauelemente ; 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)