Spin und Spin-Band Dynamik 2D van der Waals Materialien

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Jens Hübner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391378795

Die extrem erfolgreiche Entwicklung auf dem Gebiet der van-der-Waals (vdW) Heterostrukturen eröffnet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten in der Forschung und potentieller Anwendungen. Insbesondere die Vielseitigkeit von MoS2, MoSe2, WS2 und WSe2 Monolagen (ML) sticht hervor aufgrund der direkten Bandlücke im sichtbaren Spektralbereich am K-Punkt der Brillouin-Zone. Neben der Einsetzbarkeit in der 2D Optoelektronik, sind Monolagen Übergangs-Metall-Dichalchogenide (TMDCs) interessant für eine Ausnutzung des der Spin und Spin-Bahn Pseudospin Eigenschaften von Elektronen und Löchern in der (Quanten) Informationsverarbeitung. Die Information kann dabei nicht nur in im Spin der Ladungsträger codiert werden, sondern auch ob sich der Ladungsträger im K+ oder K- Band befindet. Die starke Spin-Bahn Wechselwirkung trennt die Spinzustände und die Kristallasymmetrie führt zu Spin-selektiven optischen Auswahlregeln. Daher können die K+ oder K- Bänder selektiv mittels polarisierten Lichts populiert werden. Das Konsortium LPCNO Toulouse - LU Hannover wird ausführlich die intrinsische Spin- und Pseudospindynamik ML TMDCs im Hinblick auf die Stabilität der Spinpolarisation untersuchen. Beide Partner haben bereits erfolgreich gemeinsame Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der optischen Spin-Rauschspektroskopie (SNS) durchgeführt. Der Fokus liegt auf langlebigen Anregungen, wobei die Spin- und Pseudospinzustände von p- oder n-Typ dotierten Strukturen über optisch polarisiertes Licht initialisiert werden. Die Dotierung wird chemisch und über elektronisch einstellbare Strukturen erreicht, welche bereits funktionsfähig am LPCNO existieren. Die Spindynamik wird mit drei verschiedenen Techniken untersuchen: a) Zeitaufgelöste Photolumineszenz Spektroskopie zur Untersuchung der Polarisations- und Ladungstransferdynamik während der Lebenszeit des geladenen Exzitons und des Einflusses von dunklen Zuständen. b) Polarisationsaufgelöste Pump-Abfrage Messungen (LUH) werden zur Untersuchung der Spindynamik der verbleibenden Ladungsträger nach der strahlenden Rekombination eingesetzt. c) Die erste Anwendung der SNS auf dem Gebiet der TDMCs mit dem Ziel die intrinsische Langzeit Spindynamik am thermodynamischen Gleichgewicht zu vermessen. Die LUH Gruppe ist weltweit führend auf dem Gebiet der SNS und wird die Hauptdepolarisationsmechanismen in p- und n-Typ Strukturen mit variierender Ladungsträgerdichte untersuchen. Hochqualitätsmaterialien mit extrem schmalen homogenen Linienbreiten durch Verkapselung (LPCNO) sind dem Konsortium verfügbar. Ferner werden verschiedenen Legierungen und Materialen untersucht, in denen die Spinaufspaltung die Stärke und Vorzeichen ändert. Es wird ebenfalls der Einfluss von Lokalisierung auf die Polarisationsdynamik untersucht. Weiterhin wird die Polarisations- und Ladungstransferdynamik in vdW Heterostrukturen untersucht. Hier soll versucht werden, die Rekombinationsdynamik von indirekten Übergängen sowohl räumlich als auch im Impulsraum einzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Singapur, USA
• Kooperationspartner: Professor Goki Eda, Ph.D.; Professor Sefaattin Tongay, Ph.D.; Professor Dr. Bernhard Urbaszek