Nano-femto-control of cooperative dynamics in van der Waals quantum materials
Technologisch relevante Prozesse in Halbleitern laufen blitzschnell und auf winzigsten Längenskalen ab. Für ein umfassendes Verständnis von neuartigen van-der-Waals Materialien ist es entscheidend, die Dynamik von Elektronen und von kollektiven Anregungen mit höchstauflösenden Zeitlupenfilmen nachzuverfolgen. Wir entwickeln daher neue Methoden, um eine Ortsauflösung von wenigen Nanometern mit ultraschneller Zeitauflösung im Bereich von nur wenigen Femtosekunden zu kombinieren.
Die Nachwuchs­forschungsgruppe in der Übersicht
| Standort | Regensburg |
| Anbindung | Elitestudiengang „Physik mit integriertem Doktorandenkolleg“ |
| Projektdauer | 2024 bis 2030 |
| Leitung | Dr. Fabian Mooshammer E-Mail an Dr. Fabian Mooshammer senden |
| Weitere Informationen | Webpräsenz NanoFemtoCoop |
Dynamik in Festkörpern in Ort und Zeit verfolgen
Moderne Mikroskope können problemlos Standbilder von der Nanowelt aufnehmen. Technologisch relevante Prozesse, wie etwa die Bewegung von Elektronen in einer Solarzelle, laufen allerdings nicht nur auf Längenskalen von wenigen Nanometern (Milliardstel Meter), sondern auch auf ultraschnellen Zeitskalen von nur wenigen Femtosekunden (Millionstel einer Milliardstel Sekunde) ab. Um das volle Potential von neuartigen Materialien für effizientere Bauteile und komplett neue Anwendungen auszuschöpfen, ist daher die Entwicklung neuer Mikroskopie-Methoden entscheidend, mit denen Videos der Nanowelt in Bewegung aufgezeichnet werden können.
Die Nachwuchsforschungsgruppe arbeitet an diesem hochaktuellen Thema, welches auch ein zentrales Ziel des „Regensburger Zentrum für Ultraschnelle Nanoskopie“ (RUN) ist. Dort hat die Gruppe mit brandneuen Laboren, einer Ausstattung auf weltweit allerhöchstem Niveau und einem interdisziplinären Forschungsumfeld ideale Startbedingungen
Der Fokus der Nachwuchsforschungsgruppe liegt auf der Kombination von ultrakurzen Lichtblitzen mit der Rastersondenmikroskopie. Dabei werden die Laserimpulse an scharfe metallische Spitzen gekoppelt, wodurch das Licht wie an einer Art Blitzableiter konzentriert wird. Mit solch einer Nano-Lichtquelle können dann optische Eigenschaften und Elementaranregungen mit einer räumlichen Auflösung vermessen werden, welche viele Größenordnungen jenseits der Beugungsgrenze liegt.
Quantendynamik in van-der-Waals-Kristallen
Neuartige van der Waals Kristalle bestehen aus einzelnen Schichten, die nur wenige Atome dick sind. Der bekannteste Vertreter ist Graphen – einzelne Lagen aus Kohlenstoffatomen, die lose übereinandergestapelt beispielsweise in der Mine eines Bleistifts zu finden sind. Eng damit verwandt sind die halbleitenden Übergangsmetalldichalkogenide. Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitern, die in Handys oder Computern verbaut sind, besitzen die atomar dünnen Vertreter weitere einzigartige Eigenschaften für Anwendungen in der Optoelektronik.
Außerdem verhalten sich Elektronen in van der Waals Schichtstrukturen unter gewissen Umständen völlig anders, als man dies von herkömmlichen Halbleitern kennt. Die Elektronen bewegen sich nämlich nicht nur frei durch die zweidimensionale Schicht, sondern können sich auch regelmäßig anordnen, ähnlich wie das Kristallgitter aus Atomen selbst. Jedes Elektron wird dann so stark von seinen Nachbarn abgestoßen, dass es an seinem Platz festsitzt.
Eine internationale Nachwuchsforschungsgruppe bietet, auch im Vergleich mit anderen nationalen oder europaweiten Förderprogrammen, ideale Rahmenbedingungen, um die eigenen Forschungsideen weiterzuverfolgen.
Dr. Fabian Mooshammer
Superzeitlupenfilme vom Verhalten von Elektronen mit unterschiedlich vielen Wechselwirkungspartnern würden wichtige Erkenntnisse über diese außergewöhnlichen Quantenphasen liefern, welche direkte Relevanz für zukünftige Quantentechnologien haben. Einerseits lassen sich damit die Eigenschaften von Festkörpern „simulieren“ und mit aktuellen, theoretischen Modellen abgleichen. Im Experiment könnte dabei potenziell eine solch hohe Zahl an wechselwirkenden Teilchen berücksichtigt werden, dass bei vergleichbaren Rechnungen selbst Hochleistungscomputer an ihre Grenzen kämen. Andererseits könnten diese periodischen Gitter als Quellen für einzelne Photonen dienen, welche für Anwendungen in der Quanteninformation relevant sein könnten.
Weitere Kooperationen
| Columbia University | New York, USA |
| University of Michigan | Ann Arbor, USA |
| Ludwig-Maximilians-Universität München | München, Deutschland |
| Politecnico di Milano | Mailand, Italien |
| National Institute for Material Science | Tsukuba, Japan |