Description du projet
Contrôler les propriétés électroniques des solides grâce à la lumière permettrait de créer de nouveaux dispositifs optoélectroniques
Les matériaux solides peuvent être répartis en métaux, semiconducteurs ou isolants selon leur conductivité (ou résistivité) et leurs bandes d’énergie. L’énergie des électrons dans les atomes isolés est différente de celle dans les solides, où les électrons d’atomes voisins se rapprochent fortement et peuvent parfois se chevaucher. Alors que les électrons dans les atomes libres disposent de niveaux d’énergie distincts, leur énergie disponible dans les solides forme ce que l’on appelle des «bandes d’énergie». Les isolants se caractérisent par un écart considérable entre la bande d’énergie d’électrons plus stables et celle d’électrons plus «excitables», tandis que dans les métaux, les bandes se chevauchent. Le projet DANCE, financé par l’UE, examine de nouvelles méthodes optiques destinées à contrôler les bandes d’énergie des solides, ouvrant la voie à de nouveaux dispositifs et applications optoélectroniques.
Objectif
The band structure of solids is mainly determined by the orbital overlap between neighboring atoms. Therefore, electronic properties are commonly controlled via the chemical composition that determines the relevant structural parameters such as bond angles and lengths. DANCE will use a radically different approach where control of the effective orbital overlap is achieved by periodic modulation of the solid with strong mid-infrared and terahertz light fields. In this way, DANCE will control the band structure including topology, many-body-interactions, and spin. The induced band structure changes will be investigated with time- and angle-resolved photoemission spectroscopy.
I will implement two different driving schemes that either coherently modulate the atomic positions or the momentum of the Bloch electrons. Resonant excitation of infrared-active phonon modes results in a periodic modulation of the band structure at twice the driving frequency and, thus, a modified average band structure. In addition, non-linear coupling to Raman-active phonons leads to new quasi-static crystal and band structures. Coherent modulation of the Bloch electron’s momentum becomes possible if the scattering time is bigger than the inverse driving frequency and is predicted to result in various topological phase transitions as well as dynamical localization of carriers. I will apply this approach to different low-dimensional solids with strong electron-phonon coupling and Dirac materials with long scattering times.
DANCE will address the following key questions: Can we switch between metallic, insulating and topological phases? Can we shape the potential energy surface of the solid to stabilize symmetry-broken ground states? Can we generate artificial magnetic fields to control the electron spin? The success of DANCE will establish dynamical band structure engineering as a new method for electronic structure control and pave the way for novel optoelectronic and optospintronic devices.
Champ scientifique
Programme(s)
Thème(s)
Régime de financement
ERC-STG - Starting GrantInstitution d’accueil
93053 Regensburg
Allemagne