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FOR 5750:  Optische Kontrolle der Quantenmaterie (OPTIMAL)

Fachliche Zuordnung Physik
Förderung Förderung seit 2025
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531215165
 
Die ultraschnelle Kontrolle von Quantenmaterialen durch Licht-Materie-Kopplung ist ein vielversprechender Ansatz im Bereich kondensierter Materie. Enorme Fortschritte haben zu wichtigen Herausforderungen geführt, die mit neuen Mitteln bewältigt werden müssen. Die Herausforderungen bestehen darin, dass i) die Nichtgleichgewichts-Energielandschaften komplexer Materialien nicht gut verstanden sind, ii) das Zusammenspiel zwischen Freiheitsgraden (Spin, Ladung, Orbitale, Gitter) schwer experimentell zu charakterisieren und theoretisch zu modellieren ist, iii) Aufheizung und Dissipation die gewünschte kohärente Dynamik oft verdecken. Neue Ansätze zeigen sich in der Entwicklung experimenteller Techniken für die Nichtgleichgewichtsphysik und in einem verbesserten Verständnis dafür, wie Floquet-Physik und starke Licht-Materie-Kopplung zu leistungsstarken Kontrollmechanismen führen können. Die Forschungsgruppe OPTIMAL (Optische Kontrolle von Quantenmaterialien) bringt ein Team zusammen, um die Herausforderungen durch eine experimentell-theoretische Anstrengung zu bewältigen. Ziel ist es, experimentelle Verfahren in Kombination mit modernster Theorie voranzubringen, um die wichtigsten Paradigmen auf diesem Gebiet weiter zu entwickeln. Zentrale Fragen von OPTIMAL sind: Wie können wir die Nichtgleichgewichtstrajektorie von Quantenmaterialien in seinen komplexen Energielandschaft lenken und metastabile Zustände erreichen? Was ist der beste Weg, um Materiezustände durch Floquet-Anregung und Phonon-Pumpen zu induzieren und dabei Dissipationseffekte in Mott-Isolatoren zu vermeiden oder sie sogar zur Erzeugung dissipativer Floquet-Zustände zu nutzen? Können wir starke Licht-Materie-Kopplung in Hohlräumen nutzen, um Lichtfluktuationen zur Materialkontrolle zu steuern? Dies erfordert die enge Zusammenarbeit in einer Forschungsgruppe wie OPTIMAL. Wir werden komplementäre Anregungs- (THz, mittleres Infrarot, breitbandiges sichtbares Licht, Fabry-Perot und THz On-Chip Hohlräume) und zeitaufgelöste Messtechniken (ARPES, Optik, Transport, Beugung, Streuung) sowie ein Spektrum an theoretischen Methoden (Tensornetzwerke, Nichtgleichgewichts-Greensfunktionen, Semiklassik) kombinieren. OPTIMAL wird sich auf zwei Materialklassen konzentrieren: auf korrelierte Materialien mit starker Wechselwirkung zwischen Spin-, Orbital- und Gitterfreiheitsgraden (z.B. Mott-Isolatoren Sr$_2$CuO$_3$, CaCu$_2$O$_3$ und Spin-Peierls-Verbindungen TiOCl und CuGeO$_{\rm 3}$), und auf ladungsgeordnete und supraleitende Kagome-Metalle AV$_3$Sb$_5$ (A=K,Rb,Cs). In der ersten Förderperiode werden wir ein vollständiges Programm zur experimentellen und theoretischen Charakterisierung der optischen Kontrolle auf diesen Materialplattformen durchführen. Darauf aufbauend wollen wir in der zweiten Förderperiode die weiterentwickelten Methoden kombinieren, um das langfristige Ziel der optischen Kontrolle von Quantenmaterialien mit geringer Laserleistung durch starke Licht-Materie-Kopplung zu erreichen.
DFG-Verfahren Forschungsgruppen
Internationaler Bezug Schweiz, USA

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