Project

Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy (ARPES); Solid State Physics; Time-and Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy; Topological Insulators; Collective Excitations in Correlated Materials; Charge Density Wave Systems; Femtosecond Laser Pulses; Novel Quantum Materials

Lead
Charge Density Wave (CDW) Systeme sind eine Klasse von Materialien mit speziell gekoppelten strukturellen und elektronischen Eigenschaften. Unterhalb einer kritischen Temperatur führt die starke Korrelation zwischen den Elektronen und den quantisierten Schwingungen des Kristallgitters zu einem elektronischen Phasenübergang. Charakteristisch dafür sind eine elektronische Bandlücke und eine vom Gitter abweichende periodische Modulation der Ladungsdichte, eine sogenannte Charge Density Wave.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts Übergeordnetes Ziel dieses Projekts ist es, schnelle elektronische Anregungen am Phasenübergang von CDW Oberflächen auf der sehr kurzen Femto- bis Pikosekunden Zeitskala direkt zu messen. Durchgeführt wird dies mit Hilfe von zeit- und winkelaufgelöster Elektronenspektroskopie. Der spezielle Ansatz besteht darin mit variablen Photonenenergien anzuregen. Ziel ist es, diese Energien auf die elektronische Bandlücke der zu untersuchenden CDW Materialien abzustimmen. Einerseits erlaubt dies präzisere Anregungen und somit klarere Signale, andererseits können dadurch die verantwortlichen elektronischen Übergänge für den transienten CDW Phasenübergang eruiert werden.   Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts Diese Arbeit ist fürs fundamentale physikalische Verständnis von elektronischen Streuprozessen untereinander und mit anderen Quasiteilchen in korrelierten Materialien von Bedeutung. Die Erkenntnisse im Bereich von CDW Materialien unterstützen zum Beispiel das Verständnis der Hochtemperatur Supraleitung in Cupraten. Im Weiteren sollen die Experimente auch helfen einen neuen methodischen Ansatz innerhalb der zeit- und winkelaufgelösten Photoelektronen Spektroskopie zu etablieren. Die Anregung mit variabel abgestimmten Photonenenergien soll zukünftig auch bei anderen neuen Quantenmaterialen angewandt werden.

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Last update: 07.01.2014

Active participation

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The search for materials with novel electronic properties is an important topic within condensed matter physics. The novel quantum material class of topological insulators reveal the existence of metallic surface states at the boundary of the insulating crystal. Due to strong spin-orbit interaction, the spin and momentum of the electrons in these states are intimately coupled, which provides channels to drive spin-polarized currents at the surface. Understanding how excited electrons in these spin-textured surface states scatter with electrons in surface and bulk states as well as other quasi-particles excitations is crucial for the design of future spintronic devices. Femtosecond time- and angle-resolved photoelectron spectroscopy (trARPES) is currently developing into a profound tool for material science and offers the opportunity to investigate these electron-electron scattering processes in topological insulators directly in the time-domain.In another class of materials, the Charge Density Wave (CDW) systems, strong electron-phonon coupling connects periodic lattice distortions with an electronic metal-to-insulator phase transition. Despite the fact, that trARPES allows for ultrafast excitation and subsequent monitoring of collective modes, still little is known about the coupling strength of the distinct modes in these prototypical CDW materials.The project proposed here will investigate the non-equilibrium electronic structure and corresponding scattering processes on thin films of the topological insulator Bi2Se3 and on RTe3 CDW systems by means of trARPES experiments. This will bring new insight into the scattering rates of non-equilibrium electronic populations in topological insulators as well as into the coupling strength between distinct collective excitations in CDW systems, respectively. The experiments will be performed in the group of Prof. Z.-X. Shen at the Geballe Laboratory for Advanced Materials at Stanford University, offering a combination between photoemission experiment, material growth and theory.