Nicht-Gleichgewichtsdynamik von Licht-Materie-Wechselwirkungen an niedrigdimensionalen nanostrukturierten Metall-Dielektrikum-Grenzflächen, untersucht mit weicher Röntgenabsorptionsspektroskopie

• Antragsteller: Themistoklis Sidiropoulos, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558545993

Künftige Quantentechnologien erfordern eine effiziente und schnellen Manipulation korrelierter Materiezustände. Heutzutage lassen sich diese nur bei niedrigen Temperaturen im GHz Bereich kontrollieren, während sich korrelierter Zustände mit Licht im PHz Bereich manipulieren lassen. Im Falle einer starken Wechselwirkung von Licht mit Materie entstehen selbst bei Raumtemperatur viele neuartige Quantenphänomene. Korrelierte Zustände, die aus Nichtgleichgewichtsbedingungen entstehen, wurden nachgewiesen, doch bleibt ihre Kontrolle aufgrund der allgemein schwachen Licht-Materie Wechselwirkung, der Anregung von Quasiteilchen, die mit der benachbarten elektromagnetischen Umgebung wechselwirken, und der damit verbundenen ultrakurzen Zeitskalen schwierig. Eine Folge der schwachen Wechselwirkung ist die Notwendigkeit starker optischer Felder, die durch Hochleistungslaser oder durch Fokussierung des Lichts auf kleine Volumina unter Verwendung von Nanophotonischen-Geometrien erreicht werden können. In dielektrischen Materialien ist der Einschluss von Licht jedoch beugungsbegrenzt, so dass nur eine schwache Licht-Materie-Kopplung stattfindet. Daher werden hybride Metall-Dielektrikum-Geometrien erforscht, um Licht auf Sub-Wellenlängen-Skalen zu fokussieren, was zu einer Verstärkung der Licht-Materie-Wechselwirkungen führt und zukünftige lichtbasierte Quantentechnologien ermöglicht. Neuartige Lichtquellen basierend auf der Erzeugung höherer harmonischen (HHG) in Edelgasen emitieren weiche Röntgenphotonen mit Pulslängen <100as, was die Beobachtung lichtfeldgetriebener Elektronendynamik ermöglicht. Das breitbandige Spektrum einer HHG Quelle bietet Zugang zur energetischen Umverteilung optisch angeregter Ladungsträger und ihrer Kopplung an Quasiteilchen in Echtzeit. Die HHG-Spektren decken die Absorptionskanten mehrerer Elemente ab, was die Identifizierung des Transfers von photoangeregten Ladungen über Grenzflächen hinweg ermöglicht. HHG-Spektroskopie im Röntgenspektralbereich gibt somit Zugang zur energetischen Umverteilung von Nicht-Gleichgewichts-Vielteilchensystemen im Bereich der schwachen und starken Kopplung an Metall-2D-Grenzflächen mit bisher unerreichter zeitlicher Auflösung. Ziel des Vorschlags ist es, die Dynamik des Energietransfers zwischen gekoppelten Licht-Materie-Zuständen im Bereich schwacher und starker Kopplung zu untersuchen. Dazu werden wir nanostrukturierte Metalle herstellen, die Plasmonenresonanzen im NIR-Bereich aufweisen. Wir werden ein 2D-Material auf das nanostrukturierte Metall übertragen und den Mechanismus des Energietransfers von heißen Elektronen über eine solche Grenzfläche identifizieren. Eine präzise Kontrolle der Plasmonenresonanz wird eine starke Kopplung mit Exzitonen im 2D-Material ermöglichen. Wir werden die zeit- und energieabhängige Ladungsträgerbesetzung in jedem Material mit einer hochharmonischen weichen Röntgenlichtquelle untersuchen, um die Mechanismen zu identifizieren, die eine effiziente Kopplung begrenzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen