Die anomale Geschwindigkeit im ultraschnellen Regime

• Antragsteller: Dr.-Ing. Mark Bieler; Professor Dr. Torsten Meier
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328957214

In Festkörpern haben Ladungsträger fundamental unterschiedliche Eigenschaften als im freien Raum. Eine der verblüffendsten Eigenschaften ist die anomale Geschwindigkeit, die eine Bewegung von Ladungsträgern senkrecht zu einem elektrischen Feld darstellt. Diese Geschwindigkeit ist die Ursache von faszinierenden physikalischen Phänomenen wie den Spin-Hall- und Anomalen-Hall-Effekt und hat direkten Einfluss auf Spintronik, topologische Isolatoren und neuartige Quantencomputer.Unsere bisherigen experimentellen und theoretischen Studien der anomalen Geschwindigkeit und verwandte Effekte haben zu einem besseren Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkung geführt. Sie haben jedoch auch interessante Ergebnisse hervorgebracht, die zusätzliche Fragen zur anomalen Geschwindigkeit hervorrufen. Mit diesem Antrag möchten wir diese Effekte experimentell und theoretisch in Galliumarsenid- (GaAs-) Nanostrukturen auf ultraschnellen Zeitskalen untersuchen:(i) Wir werden experimentell die anomale Geschwindigkeit in unterschiedlichen GaAs-Nanostrukturen lokal im Energieraum detektieren. Die Energieabhängigkeit von intrinsischen (Berrykrümmung) und extrinsischen (Streuung) Beiträgen zur anomalen Geschwindigkeit ist für weitergehende Untersuchungen von unterschiedlichen Hall-Effekten enorm wichtig.(ii) Wir werden den Einfluss von kohärenten Effekten auf die anomale Geschwindigkeit experimentell untersuchen, mit dem Ziel, neuartige Komponenten der anomalen Geschwindigkeit nachzuweisen. Diese neuen Komponenten treten in zeitaufgelösten Untersuchungen auf und vervollständigen die Beschreibung der anomalen Geschwindigkeit.(iii) Wir werden die nichtabelsche Berrykrümmung, die durch degenerierte Bänder entsteht, experimentell studieren. Dafür sind zeitaufgelöste Experimente eine essentielle Voraussetzung. Zusätzlich könnten die Experimente neue Erkenntnisse zur Zitterbewegung liefern, die erstmals von Schrödinger postuliert worden ist.Wegen der Komplexität der geplanten Arbeiten wird deren Erfolg von der Analyse der experimentellen Ergebnisse mittels aufwändiger mikroskopischer Rechnungen abhängen:(iv) Wir werden die Halbleiterblochgleichungen erweitern, um eine transparente theoretische Beschreibung der Erzeugung und der kohärenten Dynamik der intrinsischen anomalen Geschwindigkeit zu ermöglichen. Dies beinhaltet die kohärente Interbandpolarisation, die nichtabelsche Berrykrümmung und die Zitterbewegung.(v) Wir werden Vielteilcheneffekte in die theoretische Beschreibung einbeziehen. Die resultierenden Dynamikgleichungen werden die Analyse von exzitonischen Effekten, extrinsischen anomalen Geschwindigkeiten und streuinduziertes Abklingen von intrinsischen anomalen Geschwindigkeiten ermöglichen.Wir erwarten, dass unsere Arbeiten neuartige Ergebnisse zu intrinsischen und extrinsischen Effekten der anomalen Geschwindigkeit im kohärenten und ultraschnellen Regime liefern und als Auslöser von zusätzlichen theoretischen und experimentellen Studien dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada, Vietnam
• Kooperationspartner: Dr. Huynh Thanh Duc; Dr.-Ing. Shekhar Priyadarshi; Professor John E. Sipe