Die ultraschnelle Dynamik von Ladungsträgern und deren Spins in Festkörpern spielt eine entscheidende Rolle bei vielen grundlegenden und technikrelevanten Phänomenen, von der Absorption der Energie von Licht in molekularen und anorganischen Halbleitern bis hin zur Spinfilterung an funktionellen Grenzflächen. In unserer Forschung untersuchen wir den Energie- und (Dreh-)Impulsdissipationsprozess von optisch angeregten Quasiteilchen im Energie- und Impulsraum auf der Femtosekunden- bis Pikosekunden-Zeitskala. Unsere Forschung liefert Grundlagen für die Gestaltung der spinabhängigen Materialeigenschaften auf ultraschnellen Zeitskalen durch optische Anregung.
Derzeit konzentrieren wir uns auf

• Die Ausbildung und Umwandlung von Ladungstransfer- und Frenkel-Exzitonen in molekularen Materialien
• Intersite- und Interlaysedr-Ladungs- uns Spintransferprozessen in molekularen und anorganischen 2D-Heterostrukturen
• Impulsabhängigen Lebensdauern von Elektronen gefangen in periodischen Quantentopfen realisier durch 2D-metallorganischen porösen Netzwerkstrukturen

Für unsere Forschung verwenden wir zeit-, spin- und impulsaufgelöste Photoemissionsspektroskopie und Impulsmikroskopie. Für molekulare Systeme nutzen wir zusätzlich die Methode der Photoemissions-Orbital-Tomographie, um durch ihre charakteristischen spektroskopischen Signaturen im Impulsraum Einblicke in die räumliche Verteilung der emittierten Ladungsträger zu gewinnen.

Ultraschnelle Magnetisierungsdynamik

Die Kontrolle der Spinzustände kondensierter Materie ist eine entscheidende Voraussetzung für die Realisierung neuartiger Konzepte in der Informationstechnologie. In unserer Forschung legen wir den Grundstein für solche Bemühungen, indem wir uns auf die ultraschnelle Magnetisierungsdynamik magnetischer Materialien nach optischer Anregung mit Femtosekunden-Lichtimpulsen konzentrieren. Unser Ziel ist es, die mikroskopischen Prozesse aufzudecken, die die ultraschnelle Magnetisierungsdynamik steuern, und neue Wege zur Kontrolle der Erzeugung spinpolarisierter Ladungsträger in diesen Materialien zu identifizieren.

Derzeit konzentrieren wir uns auf

• Optisch induzierter Spin-Transfer zwischen verschiedenen Gitterplätzen und Schichten in ferromagnetischen Legierungen und metallorganischen Hybridstrukturen
• Ultraschnelle Magnetisierungsdynamik in kompensierten Magneten, d. h. in Antiferromagneten und Altermagneten 

Für unsere Forschung kombinieren wir zeit-, spin- und impulsaufgelöste Photoemissionsspektroskopie mit ultraschnellen magnetooptischen Experimenten, um komplementäre Einblicke in die ultraschnelle spinabhängige Materialreaktion der Magnete nach optischer Anregung mit fs-Lichtpulsen zu erhalten.

Molekulare Materialien auf Oberflächen sind ein faszinierender Bausatz zur Steuerung von Spin-Funktionalitäten wie Spin-Filterung und Spin-Diffusion im Nanobereich. Die Steuerung solcher Spin-Funktionalitäten in molekularbasierten Hybridstrukturen erfordert jedoch ein tiefgreifendes Verständnis des empfindlichen Gleichgewichts zwischen intermolekularen sowie Molekül-Oberflächen-Wechselwirkungen, das sich typischerweise in der Anordnung der molekularen Superstrukturen widerspiegelt. In unserer Forschung konzentrieren wir uns daher auf den Zusammenhang zwischen der Effizienz von Spin-Funktionalitäten und der strukturellen Ordnung molekularer Hybridstrukturen.
Derzeit konzentrieren wir uns auf  

• Chiralitätsinduzierte Spin-Filterung in chiralen Metall-Molekül-Hybridstrukturen
• Spin-Polarisation von Oberflächenelektronen gefangen in periodischen Quantentöpfen in maßgeschneiderten metallorganischen Netzwerken
• Spin-Filterung in unbeschichteten und passivierten magnetischen Metall-Molekül-Hybridstrukturen

Für unsere Untersuchungen kombinieren wir strukturelle Charakterisierungswerkzeuge wie Rastertunnelmikroskopie und die synchrotronbasierte Normalincidence-X-ray-Standing-Waves-Technik mit spinaufgelösten Elektronenspektroskopie-Werkzeugen, um einen umfassenden Überblick über die Wechselwirkungen und die entsprechenden Spin-Funktionalitäten in molekularen Hybridstrukturen zu erhalten.

Die Untersuchung topologischer Phasen im Festkörper hat in den vergangenen Jahren großes Interesse geweckt. Prominente Beispiele sind Dirac und Weyl Halbmetalle, in denen lineare Bandkreuzungen und zugehörige Dirac/Weyl-Kegel nahe der Fermienergie EF auftreten. Interband-Übergänge in Dirac/Weyl Kegel führen zu einer charakteristischen Form des optischen Leitfähigkeitsspektrums: dieses folgt einem eindeutigem Potenzgesetz σ₁(ω) ∝ ω^d−2, abhängig von der Dimensionalität d der Dirac Fermionen. Unter den Dirac Materialien hat die Familie der Materialien mit Kagome-Gitter enorme Forschungsanstrengungen ausgelöst, da diese Materialien eine Fülle von interessanten Phasen und Phänomenen zeigen: flache Bänder, Dirac Zustände und van Hove Singularitäten in der elektronischen Bandstruktur, Ladungsdichtewelle- und unkonventionelle supraleitende Phasen, magnetische Ordnung, orbital-selective nematische Ordnung oder elektronische Nematizität, fraktionaler Quanten-Halleffekt, und Kondo-Effekt. Kagome Materialien sind daher ideal, um das Wechselspiel zwischen Geometrie, Topologie und elektronische Korrelationen sowie die Wechselbeziehung zwischen Ladungsdichtewelle und Supraleitung oder Magnetismus zu studieren.

Wir untersuchen auch Materialien LnSbTe (Ln = seltenes Erdelement) mit Quadratnetzgittern, die bei tiefen Temperaturen einen magnetischen, topologischen nodal-line Halbmetall-Zustand beinhalten. Geeignete Substitution und Leerstellen-Konzentration führen zu struktureller Verzerrung und der Ausbildung von Ladungsdichtewellen in LnSb_xTe_2−x−Verbindungen. Diese ermöglichen ein elektronisches Band-Engineering und können neue topologische Phasen hervorrufen.

Zur Charakterisierung der Gitter- und Ladungsdynamik der Dirac-Materialien verwenden wir die Infrarot- und Ramanspektroskopie. Kombiniert mit externem Druck, erzeugt durch Diamantstempeldruckzellen, können wir die optische Antwort während der Änderung der elektronischen Bandbreite verfolgen, was druckinduzierte elektronische und strukturelle Phasenübergänge sichtbar werden lässt.

Van der Waals-Materialien mit schichtartiger Kristallstruktur zeigen eine Fülle interessanter physikalischer Eigenschaften und exotischer Phasen aufgrund von konkurrierenden Korrelationseffekten und Topologie, wie etwa Ladungsdichtewelle, Mott-Isolator, Supraleitung, antiferromagnetischer topologischer Isolator, Weyl Halbmetall und ferromagnetisches nodal-line Halbmetall. Des Weiteren bieten sie eine ideale Plattform zur Realisierung atomar dünner Kristalle mit einzigartigen Eigenschaften und exzellente Perspektive für neuartige Anwendungen. Für das Verständnis der physikalischen Eigenschaften dieser neuartigen 2D Kristalle sind die Charakterisierung und das Verständnis der Volumeneigenschaften wichtig als vorausgehender Schritt .

Ein entscheidender Aspekt für die physikalischen Eigenschaften von zweidimensionalen, schichtartigen Materialien ist die Wechselwirkung zwischen den Schichten. Insbesondere die Variation der Zwischenschicht-Wechselwirkung durch Änderung des Abstands zwischen den Schichten beeinträchtigt stark die physikalischen Eigenschaften von van der Waals-Materialien und induziert Phasenübergänge mit neuen, exotischen Phasen. Die systematische Untersuchung und das Verständnis des Einflusses der Zwischenschicht-Wechselwirkung auf die Ladungs- und Gitterdynamik in schichtartigen van der Waals-Materialien sind Ziele dieses Projekts. Äußerer Druck ist die effektivste Weise den Abstand zwischen den Schichten und somit die Zwischenschicht-Wechselwirkung kontrolliert zu tunen. Daher wenden wir im Rahmen dieses Projekts äußeren Druck an, um den Einfluss der Zwischenschicht-Wechselwirkung auf die optische Antwort von verschiedenen van der Waals-Materialien zu untersuchen.

Prominente Beispiele unserer Studie sind der topologische Isolator MnBi₂Te₄, der Ferromagnet CrGeTe₃ und die Typ II-Weyl Halbmetalle (Nb,Ta)IrTe₄.

In den Pyrochlor-Iridate R₂Ir₂O₇ (R = seltenes Erdelement, Y und Bi), die dreidimensionale Analogons der Kagome-Struktur darstellen, wurde das Auftreten neuartiger topologischer Phasen vorhergesagt. Das Pyrochlor-Gitter, bestehend aus einem Netzwerk aus Tetraedern, die über die Ecken miteinander verbunden sind, verursacht starke geometrische Frustration, welche konventionelle magnetische Ordnung unterdrückt und das Auftreten von unkonventionellen Grundzuständen favorisiert. In den vergangenen Jahren wurden Iridate intensive erforscht aufgrund des hier auftretenden Wechselspiels zwischen Coulomb-Wechselwirkung, Spin-Bahn-Kopplung, Kristallfeldaufspaltung und elektronischer Bandbreite, die alle vergleichbare Energieskalen besitzen. Deren empfindliche Balance induziert neuartige Phase und fördert die mögliche Realisierung des Quanten-Spinflüssigkeits-Grundzustandes. Insbesondere wurde eine Weyl-Halbmetall-Phase für die magnetischen Pyrochloriridate A₂Ir₂O₇ (A = Y, Eu, Sm und Nd) in ihrem antiferromagnetischen Zustand mit all-in/all-out Spinordnung vorgeschlagen, die die Inversionssymmetrie erhält, jedoch die Zeitumkehr-Symmetrie bricht.

Wir verwenden die Fluss-Wachstums-Methode, um Einkristalle von Pyrochlor-Iridaten mit hoher Qualität zu erhalten. Die Kristalle werden mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie, dc elektrischem Transport, magnetischer Suszeptibilität, Wärmekapazität, Ramanspektroskopie und Infrarotspektroskopie charakterisiert.

Die Kristallsynthese erfolgt in enger Kollaboration mit Anton Jesche und Philipp Gegenwart, Experimentalphysik VI.