Untersuchung von direktionalen THz Spinströmen in topologischen Oberflächenzuständen

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Heiliger; Professor Dr. Tobias Kampfrath; Professor Dr. Markus Münzenberg
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238002712

Topologische Isolatoren (TIs) besitzen topologisch geschützte, spinpolarisierte Oberflächenzustände und bieten dadurch neue Anwendungsmöglichkeiten in der Spinelektronik mit Arbeitsfrequenzen, die bis in den bisher wenig erforschten Terahertz (THz)-Frequenzbereich reichen. In unserem Projekt haben wir daher die ultraschnelle Kopplung zwischen Oberflächen und Volumenelektronen, Spins und Phononen durch selektive Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen sowie die dynamischen Ströme, die Leitfähigkeit und die transiente Magnetisierung an der TI-Oberfläche untersucht. Zur Anregung wurden vorwiegend optische Laserpulse (Photonenenergie 1.5 eV) benutzt. Um die resultierende Spin- und Ladungsträgerdynamik und die ultraschnellen Fotoströme zu detektieren, entwickelten wir neuartige Messmethoden, wie z.B. ultraschnelle magneto-optische und THz-Sonden für Spins, Leitfähigkeit und Fotoströme. Damit waren wir in der Lage, wichtige Aspekte der Femtosekunden-Relaxation von optisch spinpolarisierten Elektronen zu erschließen sowie neue Typen von ultraschnellen Oberflächen-Fotoströmen zu beobachten. Während unser Fokus in der ersten Antragsperiode auf optischer Anregung (1.5 eV) und einfachen Probenstrukturen lag, werden wir in der zweiten Periode (i) maßgeschneiderte und selektive Anregungspulse benutzen und (ii) hybride TI-Probenstrukturen untersuchen. Ziel (i) wird durch die Verwendung niederenergetischerer Pumpphotonen (~1 bis 400 meV) im THz-Bereich und im mittleren Infrarot erreicht. In 3D TIs wie Bi2Se3 sind diese Photonenenergien ideal geeignet, um direkt und selektiv Interbandübergänge zwischen Dirac-Cone-Zuständen zu induzieren. Da diese Zustände in der Volumenbandlücke liegen, erwarten wir deutlich längere Lebensdauern der Spinpolarisation, größere Spinstromamplituden sowie neue Einsichten in die Intrabanddynamik. Die Dynamik der Spins, Ladungen und ihres Transportes wird mit den in der ersten Antragsperiode entwickelten Sonden gemessen. Die Experimente werden durch ab initio-Rechnungen der elektronischen Struktur und durch Transporttheorie komplementiert. Weitere Kontrollmöglichkeiten der ultraschnellen Prozesse ergeben sich aus der gezielten Variation der Carrier-Envelope-Phase der optischen und THz-Pumppulse.Im Sinne von Ziel (ii) werden wir Ferromagnet/TI-Hybridstrukturen im Hinblick auf die ultraschnelle Dynamik ihrer angeregten Zustände untersuchen. Dabei wird der Einfluss der TI-Oberflächenzustände auf die Dynamik der ferromagnetischen Ordnung (z.B. Spin-Transfer- und optischem Spin-Torque) und der umgekehrte Effekt beleuchtet, d.h. die ultraschnelle Spininjektion vom Ferromagneten in den TI. Mit unseren neuentwickelten Methoden beobachten wir diese Prozesse in Echtzeit. Wir erwarten vielversprechende neue Anwendungen von TIs: die Erzeugung von Spin-Torque und die Umwandlung von Spin- in Ladungsströme, was direkt zu neuartigen und effizienten Emittern von breitbandigen elektromagnetischen Pulsen im THz-Frequenzbereich führen wird.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1666: Topologische Isolatoren: Materialien - grundlegende Eigenschaften - Strukturen für Bauelemente