Theoretische Beschreibung von Pump-Probe-Spektroskopien in Festkörpern

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Sentef
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299286994

Ultrakurzzeitspektroskopie an Festkörpern bewegt sich an der Grenze zwischen Festkörperphysik, die sich mit der kollektiven Physik vieler wechselwirkender Teilchen befasst, und ultraschneller Spektroskopie, die Licht-Materie-Wechselwirkung auf kleinen Längenskalen und kurzen Zeitskalen untersucht. Ein komplexes Vielteilchensystem wird aus dem thermischen Gleichgewicht gebracht, indem es mit einem kurzen "Pump"-Laserpuls stimuliert wird. Ein zweiter "Probe"-Laserpuls verfolgt dann die Dynamik des angeregten Systems.Ziel dieses Forschungsprojekts ist das theoretische Verständnis des Flusses von Energie aus dem Laserpuls in das Material auf mikroskopischer Ebene. Dabei ist es wichtig, dass dieses Verständnis die Vielteilchenmethodik für Materialien mit der Nichtgleichgewichtsnatur der Ultrakurzzeitspektroskopie verknüpft. Insbesondere plane ich die Untersuchung von Ordnungsmechanismen und deren Manipulation mit Licht in Zuständen mit langreichweitiger Ordnung, im Speziellen Supraleiter und Ladungsdichtewellen. Ein anderer Blickwinkel ergibt sich, wenn die Wechselwirkung zwischen Elektronen und dem Ionengitter durch direktes Treiben der Gitterbewegung beeinflusst wird. In diesem Projekt soll untersucht werden, wie das Treiben des Gitters dabei helfen kann, rein elektronische Ordnungsmechanismen von Elektron-Gitter-getriebenen Mechanismen für das Zustandekommen der Ordnung zu unterscheiden. In einem weiteren Teilprojekt wird schließlich untersucht werden, wie sich neue Licht-Materie-gekoppelte Zustände realisieren lassen, die es erlauben, Materialeigenschaften in der Präsenz des Lichts gezielt zu verändern.Zu diesem Zweck kommt die Methode der Keldysh-Greenfunktionen zur Anwendung, die auf natürliche Weise Vielteilchen- und Nichtgleichgewichtsphysik verbindet. Es werden aufwändige numerischen Simulationen für Pump-Probe-Spektroskopien zum Einsatz kommen, die auf existierenden Computercodes basieren, die in den vergangenen Jahren entwickelt wurden.Das vorliegende Projekt wird auch helfen, experimentelle Untersuchungen ebenso wie weitere theoretische Entwicklungen zu stimulieren, um das Wechselspiel zwischen Elektronen, Gitter und dem Pump-Laser auf gleicher Ebene zu verstehen und daraus die richtigen Schlüsse für das Design neuer optimierter Materialien mit verbesserter Funktionionalität zu ziehen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Italien, USA
• Kooperationspartner: Professor Alexander Kemper, Ph.D.; Dr. Gianluca Stefanucci