Die ultraschnelle Dynamik von Ladungsträgern und deren Spins in Festkörpern spielt eine entscheidende Rolle bei vielen grundlegenden und technikrelevanten Phänomenen, von der Absorption der Energie von Licht in molekularen und anorganischen Halbleitern bis hin zur Spinfilterung an funktionellen Grenzflächen. In unserer Forschung untersuchen wir den Energie- und (Dreh-)Impulsdissipationsprozess von optisch angeregten Quasiteilchen im Energie- und Impulsraum auf der Femtosekunden- bis Pikosekunden-Zeitskala. Unsere Forschung liefert Grundlagen für die Gestaltung der spinabhängigen Materialeigenschaften auf ultraschnellen Zeitskalen durch optische Anregung.
Derzeit konzentrieren wir uns auf

• Die Ausbildung und Umwandlung von Ladungstransfer- und Frenkel-Exzitonen in molekularen Materialien
• Intersite- und Interlaysedr-Ladungs- uns Spintransferprozessen in molekularen und anorganischen 2D-Heterostrukturen
• Impulsabhängigen Lebensdauern von Elektronen gefangen in periodischen Quantentopfen realisier durch 2D-metallorganischen porösen Netzwerkstrukturen

Für unsere Forschung verwenden wir zeit-, spin- und impulsaufgelöste Photoemissionsspektroskopie und Impulsmikroskopie. Für molekulare Systeme nutzen wir zusätzlich die Methode der Photoemissions-Orbital-Tomographie, um durch ihre charakteristischen spektroskopischen Signaturen im Impulsraum Einblicke in die räumliche Verteilung der emittierten Ladungsträger zu gewinnen.

Ultraschnelle Magnetisierungsdynamik

Die Kontrolle der Spinzustände kondensierter Materie ist eine entscheidende Voraussetzung für die Realisierung neuartiger Konzepte in der Informationstechnologie. In unserer Forschung legen wir den Grundstein für solche Bemühungen, indem wir uns auf die ultraschnelle Magnetisierungsdynamik magnetischer Materialien nach optischer Anregung mit Femtosekunden-Lichtimpulsen konzentrieren. Unser Ziel ist es, die mikroskopischen Prozesse aufzudecken, die die ultraschnelle Magnetisierungsdynamik steuern, und neue Wege zur Kontrolle der Erzeugung spinpolarisierter Ladungsträger in diesen Materialien zu identifizieren.

Derzeit konzentrieren wir uns auf

• Optisch induzierter Spin-Transfer zwischen verschiedenen Gitterplätzen und Schichten in ferromagnetischen Legierungen und metallorganischen Hybridstrukturen
• Ultraschnelle Magnetisierungsdynamik in kompensierten Magneten, d. h. in Antiferromagneten und Altermagneten 

Für unsere Forschung kombinieren wir zeit-, spin- und impulsaufgelöste Photoemissionsspektroskopie mit ultraschnellen magnetooptischen Experimenten, um komplementäre Einblicke in die ultraschnelle spinabhängige Materialreaktion der Magnete nach optischer Anregung mit fs-Lichtpulsen zu erhalten.

Molekulare Materialien auf Oberflächen sind ein faszinierender Bausatz zur Steuerung von Spin-Funktionalitäten wie Spin-Filterung und Spin-Diffusion im Nanobereich. Die Steuerung solcher Spin-Funktionalitäten in molekularbasierten Hybridstrukturen erfordert jedoch ein tiefgreifendes Verständnis des empfindlichen Gleichgewichts zwischen intermolekularen sowie Molekül-Oberflächen-Wechselwirkungen, das sich typischerweise in der Anordnung der molekularen Superstrukturen widerspiegelt. In unserer Forschung konzentrieren wir uns daher auf den Zusammenhang zwischen der Effizienz von Spin-Funktionalitäten und der strukturellen Ordnung molekularer Hybridstrukturen.
Derzeit konzentrieren wir uns auf  

• Chiralitätsinduzierte Spin-Filterung in chiralen Metall-Molekül-Hybridstrukturen
• Spin-Polarisation von Oberflächenelektronen gefangen in periodischen Quantentöpfen in maßgeschneiderten metallorganischen Netzwerken
• Spin-Filterung in unbeschichteten und passivierten magnetischen Metall-Molekül-Hybridstrukturen

Für unsere Untersuchungen kombinieren wir strukturelle Charakterisierungswerkzeuge wie Rastertunnelmikroskopie und die synchrotronbasierte Normalincidence-X-ray-Standing-Waves-Technik mit spinaufgelösten Elektronenspektroskopie-Werkzeugen, um einen umfassenden Überblick über die Wechselwirkungen und die entsprechenden Spin-Funktionalitäten in molekularen Hybridstrukturen zu erhalten.

in Bearbeitung

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In den Pyrochlor-Iridate R₂Ir₂O₇ (R = seltenes Erdelement, Y und Bi), die dreidimensionale Analogons der Kagome-Struktur darstellen, wurde das Auftreten neuartiger topologischer Phasen vorhergesagt. Das Pyrochlor-Gitter, bestehend aus einem Netzwerk aus Tetraedern, die über die Ecken miteinander verbunden sind, verursacht starke geometrische Frustration, welche konventionelle magnetische Ordnung unterdrückt und das Auftreten von unkonventionellen Grundzuständen favorisiert. In den vergangenen Jahren wurden Iridate intensive erforscht aufgrund des hier auftretenden Wechselspiels zwischen Coulomb-Wechselwirkung, Spin-Bahn-Kopplung, Kristallfeldaufspaltung und elektronischer Bandbreite, die alle vergleichbare Energieskalen besitzen. Deren empfindliche Balance induziert neuartige Phase und fördert die mögliche Realisierung des Quanten-Spinflüssigkeits-Grundzustandes. Insbesondere wurde eine Weyl-Halbmetall-Phase für die magnetischen Pyrochloriridate A₂Ir₂O₇ (A = Y, Eu, Sm und Nd) in ihrem antiferromagnetischen Zustand mit all-in/all-out Spinordnung vorgeschlagen, die die Inversionssymmetrie erhält, jedoch die Zeitumkehr-Symmetrie bricht.

Wir verwenden die Fluss-Wachstums-Methode, um Einkristalle von Pyrochlor-Iridaten mit hoher Qualität zu erhalten. Die Kristalle werden mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie, dc elektrischem Transport, magnetischer Suszeptibilität, Wärmekapazität, Ramanspektroskopie und Infrarotspektroskopie charakterisiert.

Die Kristallsynthese erfolgt in enger Kollaboration mit Anton Jesche und Philipp Gegenwart, Experimentalphysik VI.