Nichtgleichgewichts-Dynamik in korrelierten Materialien

Die Nutzung von zeitaufgelösten Spektroskopieverfahren ermöglichte in den letzten Jahren neuartige Einblicke in das transiente Verhalten geordneter Phasen in Festkörpern, in denen Korrelationseffekte eine entscheidende Rolle spielen. In diesen Experimenten werden intensive ultrakurze Laserpulse benutzt, um im Festkörper einen Zustand weitab vom thermischen Gleichgewicht zu präparieren. Ein zweiter Puls fragt die folgende Antwort des Systems ab, die bestimmt wird durch die Stärke der Kopplung zwischen Elektronen, Spins und Gitter. Nicht-Gleichgewichtsphänomene, die in diesen Experimenten beobachtet werden sind z.B. die Erzeugung kohärenter Phononen, die nicht-thermische Zerstörung von Ladungsordnungs-Zuständen und die ultraschnelle Unterdrückung von Magnetismus.  Weiter...

Bild zur NichtgleichgewichtsdynamikEine kohärente Phonon-Mode in TaSe2 aufgenommen in einem zeitaufgelösten ARPES –Experiment unter Nutzung von 22 eV Photonenpulsen, erzeugt in einer Hohen-Harmonischen Quelle. Die Anregung erfolgte mit einem 30 fs Laser-Puls im nahen Infrarot-Spektralbereich.

In unseren Untersuchungen fragen wir mittels der Technik der zeit- und winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (TR-ARPES) transiente Änderungen der elektronischen Struktur ab, mit dem Ziel, neue Einblicke in die Nicht-Gleichgewichtsphysik von Ladungsdichtewellen-Materialien und unkonventionellen Supraleitern zu erhalten. Kohärente Femtosekunden-Pulse im extremen Ultraviolett-Bereich (XUV), die in einem Hohe-Harmonischen Prozess erzeugt werden, ermöglicht es uns, in der zeitaufgelösten Photoemission elektronische Zustände mit hohem Impuls und großen Bindungsenergien abzufragen [1]. Der Erfolg dieses Projektes basiert unter anderem auf einer engen Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Kai Rossnagel/Lutz Kipp. Beispiele kürzlich veröffentlichter Arbeiten sind die Beobachtung eines extrem schnellen Schmelzvorganges im exzitonischem Isolator 1T-TiSe2 [2], die Klassifizierung komplexer Isolatoren an Hand einer Zeit-Domänen Charakterisierung von Schmelzzeiten [3], und die Beobachtung einer unerwarteten Kopplung von chemischen Potential und kohärenten Phononen in Eisen-Pniktiden [4]. Der Film zeigt zeitaufgelöste TRARPES-Daten, die während eines ultraschnellen Schmelzvorgangs einer langreichweitigen Ladungsordnung in 1T-TiSe2 aufgenommen wurde.

TRARPES Daten eines ultraschnellen Schmelzvorgangs einer langreichweitigen Ladungsordnung in 1T-TiSe2 [2].

[1] “Angle Resolved Photoemission Spectroscopy with a Femtosecond High Harmonic Light Source using a 2D Imaging Electron Analyzer“ S. Mathias, L. Miaja-Avila, M.M. Murnane, H. Kapteyn, M. Aeschlimann, and M. Bauer, Rev. Sci. Instr. 78, 083105 (2007). doi:10.1063/1.2773783

[2] “Collapse of long-range charge order tracked by time-resolved photoemission at high momenta“ T. Rohwer, S. Hellmann, M. Wiesenmayer, C. Sohrt, A. Stange, B. Slomski, A. Carr, Y. Liu, L. Miaja Avila, M. Kalläne, S. Mathias, L. Kipp, K. Rossnagel, M. Bauer; Nature 471, (2011) 490. doi:10.1038/nature09829

[3] “Time-domain classification of charge-density-wave insulators“ S. Hellmann, T. Rohwer, M. Kalläne, K. Hanff, C. Sohrt, A. Stange, A. Carr, M. M. Murnane, H. C. Kapteyn, L. Kipp, M. Bauer, K. Rossnagel; Nat. Commun. 3 (2012) 1069. doi:10.1038/ncomms2078

[4] “Ultrafast modulation of the chemical potential in BaFe2As2 by coherent phonons“ L. X. Yang, G. Rohde, T. Rohwer, A. Stange, K. Hanff, C. Sohrt, L. Rettig, R. Cortes, F. Chen, D. L. Feng, T. Wolf, B. Kamble, I. Eremin, T. Popmintchev, M. M. Murnane, H. C. Kapteyn, L. Kipp, J. Fink, M. Bauer, U. Bovensiepen, K. Rossnagel; Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 207001. doi:10.1103/PhysRevLett.112.207001

Finanzierung: DFG, project BA 2177/9-1