Ultraschnelle Exzitonendynamik in magnetischen 2D Halbleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Ermin Malic; Professor Dr. Marcel Reutzel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571553489

Das vorgeschlagene Projekt soll bisher unzugängliche mikroskopische Einblicke in die Kopplung von exzitonischen und magnetischen Freiheitsgraden in zweidimensionalen (2D) halbleitenden Magneten liefern. Aufbauend auf unseren gemeinsamen experimentell-theoretischen Vorarbeiten zur Exzitonenoptik und -dynamik in Übergangsmetall-Dichacogeniden (TMDs) werden wir uns auf den 2D-Halbleitermagneten CrSBr sowie CrSBr/TMD-Heterostrukturen konzentrieren. Wir werden die Natur der exzitonischen Eigenschaften auf der Ebene der quantenmechanischen Wellenfunktion charakterisieren und die mikroskopischen Streukanäle identifizieren, die die ultraschnelle Bildung, Thermalisierung und den Zerfall von Coulomb-gebundenen Quasiteilchen vermitteln. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir zeitaufgelöste Impulsmikroskopie-Experimente mit vollständig mikroskopischen Vielteilchenrechnungen kombinieren. Dies wird die Rekonstruktion der Exzitonen-Wellenfunktion nach dem Konzept der Orbitaltomographie ermöglichen. Darüber hinaus wird die Impulsmikroskopie einen detaillierten Einblick in die energie- und impulsaufgelöste Exzitonendynamik auf der Zeitskala von 50 fs und der Längenskala von 100 nm ermöglichen. Im direkten Vergleich mit mikroskopischen Vielteilchenrechnungen, die auf dem Dichte-Matrix-Formalismus basieren, werden wir dann die Auswirkungen von Exziton-Phonon-, Exziton-Exziton- und Exziton-Magnon-Wechselwirkungen auf die ultraschnelle Exzitonen-Relaxationskaskade charakterisieren. Wir werden uns auf die wichtigsten offenen Fragen auf diesem Gebiet konzentrieren, welche nur durch die Kombination unserer gemeinsamen impulsaufgelösten Sichtweise auf Exzitonen und deren Wechselwirkungen beantwortet werden können: (i) Wir werden charakterisieren, wie die quasi-1D-Natur der Exzitonen-Wellenfunktion und der Grad der Interlagenhybridisierung von der magnetischen Ordnung (gesteuert durch die Probentemperatur) und der Stärke der Coulomb-Korrelationen (gesteuert durch die Schichtdicke) abhängen. (ii) Wir werden den Einfluss der magnetischen Ordnung und der Stärke der Elektron-Loch-Coulomb-Korrelationen auf die ultraschnelle Exzitonen-Relaxationskaskade charakterisieren und hier insbesondere auf das Zusammenspiel von Exzitonen-Phononen- und Exzitonen-Magnonen-Streuung untersuchen. (iii) Wir werden untersuchen, wie die valleyaufgelöste Exzitonendynamik in CrSBr/TMD-Heterostrukturen von der magnetischen Ordnung in CrSBr abhängt. Insgesamt wird unser gemeinsames Experiment-Theorie-Projekt wichtige neue mikroskopische Einblicke in die ultraschnelle Exzitonendynamik in magnetischen 2D-Materialien liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen