Opis projektu
Kontrolowanie elektronicznych właściwości ciał stałych za pomocą światła daje możliwość opracowania nowatorskich urządzeń optoelektronicznych
Na podstawie przewodnictwa elektrycznego (lub rezystywności) i pasm energetycznych materiały stałe można sklasyfikować jako metale, półprzewodniki lub izolatory. Energia elektronów w izolowanych od siebie atomach różni się od energii w ciałach stałych, w których elektrony sąsiadujących ze sobą atomów zbliżają się do siebie, a bywa, że nawet mogą się na siebie nakładać. Podczas gdy elektrony w wolnych atomach zajmują dyskretne poziomy energetyczne, w ciałach stałych dostępne dla elektronów stany energetyczne tworzą tak zwane „pasma energetyczne”. Izolatory charakteryzują się dużą luką między pasmem energetycznym bardziej stabilnych elektronów a pasmem energetycznym tych bardziej „wzbudzonych”, zaś cechą charakterystyczną przewodników jest nakładanie się pasm. W ramach finansowanego przez UE projektu DANCE prowadzone są badania nad innowacyjnymi metodami optycznymi pozwalającymi na kontrolowanie pasm energetycznych ciał stałych, które otwierają możliwości dla nowatorskich urządzeń i zastosowań optoelektronicznych.
Cel
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.
Dziedzina nauki
Program(-y)
Temat(-y)
System finansowania
ERC-STG - Starting GrantInstytucja przyjmująca
93053 Regensburg
Niemcy