Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stefan Mathias

Ultraschnelle Dynamik in Quantenmaterialien

In diesem Forschungsfeld untersuchen wir optische induzierte Elektronen- und Exzitonendynamik in zweidimensionalen Quantenmaterialien. Typische Materialsysteme sind Graphen, Übergangsmetalldichalkogenide, deren Heterostrukturen oder auch Hybridstrukturen aus zweidimensionalen Materialien und organischen Halbleitern. Für unsere Experimente nutzen wir unseren neuen Aufbau der zeitaufgelösten Impulsmikroskopie, welche diese Art der Forschung überhaupt erst ermöglicht. Die Fragestellungen in diesem Bereich sind sehr vielfältig und reichen von der Exzitonendynamik und -relaxation über den Exzitonentransport bis hin zur möglichen Bildung neuer korrelierter Phasen.

Im Bereich der starken Licht-Materie-Kopplung nutzen wir zeitaufgelöste Bandstrukturmessungen um optisch induzierte neue Zustände direkt sichtbar zu machen. Hier haben wir in den letzten Jahren insbesondere auf sogenanntes „Floquet-Engineering“ in Graphen konzentriert, und konnten hier kürzlich zeigen, dass Floquet Engineering in Graphen tatsächlich möglich ist. Darauf aufbauend untersuchen wir nun weitere Licht-Materie-gekoppelte Phasen in verschiedenen Quantenmaterialien.

In diesem Projekt entwickeln wir die tomographische Rekonstruktion von Molekülorbitalen aus zeitaufgelösten Impulsmikroskopiedaten. Die Methode der Molekülorbitaltomographie aus ARPES-Daten wurde 2009 entdeckt und seitdem kontinuierlich weiterentwickelt. Unsere Forschung konzentriert sich zusammen mit unseren Partnern aus der Mathematik auf die zeitaufgelöste dreidimensionale Femtosekunden-Orbitaltomographie und die Erweiterung der Technik auf komplexere („dreidimensionale“) Moleküle, auf Elektronenzustände in Heterostrukturen und die notwendigen Rekonstruktionsalgorithmen.

Im Bereich der ultraschnellen Magnetisierungsdynamik untersuchen wir, wie Spinstrukturen, z.B. Skyrmionen, mit optischen Methoden identifiziert, kontrolliert und modifiziert werden können. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit Femtosekunden-Magnetisierungsdynamik und ultraschnellen Spintransferprozessen in magnetischen Heterostrukturen und ferromagnetischen 2D-Quantenmaterialien. Im Bereich der stark korrelierten Elektronensysteme untersuchen wir auch, wie Laseranregung die Materialeigenschaften von magnetischen Oxiden kontrollieren kann, sogenannte photoinduzierte Phasenübergänge.

Die Erweiterung der zeit- und winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie (ARPES) zur zeitaufgelösten Impulsmikroskopie, die den 3D-Zugang zur elektronischen Bandstrukturdynamik eines Materials in einer einzigen Messung ermöglicht, revolutioniert derzeit verschiedenste Bereiche aktueller Forschung in der Festkörperphysik. Diese Technik wurde in den letzten Jahren von unserer und wenigen weiteren Gruppen auf der Welt realisiert, und wir entwickeln und testen weiterhin neue Ansätze und Erweiterungen der Methode. Aktuelle Projekte betreffen ultraschnelle Dunkelfeldtechniken, Messungen an in-operando 2D Heterostrukturen und das Testen von Raumladungsunterdrückungsmodi.