Spin-Elektronen Kopplung

Die dynamische Kopplung zwischen Spins und Elektronen auf der Femtosekunden-Zeitskala in verschiedenen Materialien ist eines der Themen mehrerer Projekte des Transregio-SFB TRR160. Das übergeordnete Ziel ist es, Wege zu finden, um ultraschnelle kohärente Spindynamik in kohärente Ladungsdynamik umzuwandeln und umgekehrt.

Wir verfolgen dabei zwei unterschiedliche Ansätze:

1.    Antiferromagnetische Halbleiter: Verschiedene antiferromagnetische Halbleiter weisen im Gleichgewicht eine natürliche Spin-Elektron-Kopplung auf. Insbesondere hängt die Bandlückenenergie von der Untergittermagnetisierung ab: Die Bandlücke erhält einen magnetischen Beitrag, der als "magnetic blue shift" bezeichnet wird. Dieses Phänomen wurde bereits im antiferromagnetischen Halbleiter MnTe experimentell bestätigt, theoretisch umfangreich evaluiert und in Form eines Hubbard-Kondo-Modells beschrieben (New Journal of Physics 22, 083029 (2020)). In unserer Forschung werden wir den Zusammenhang zwischen Spins und Bandlücke zeitaufgelöst weiter untersuchen.

2.    Exziton-Magnon-Übergang: In vielen dielektrischen Antiferromagneten lässt sich unterhalb der Absorptionskante im nahen infraroten Spektralbereich eine spektrale Besonderheit beobachten, die als "Exziton-Magnon"-Übergang bekannt ist. Dies ist ein elektrischer Dipolprozess, bei dem Elektronen und Magnonen gleichzeitig angeregt werden. In bestimmten Materialien sind hochenergetische Magnonen an dem Exziton-Magnon-Übergang beteiligt. Dieser Mechanismus wurde bereits genutzt, um Magnonen an den Rändern der Brillouin-Zone resonant anzuregen. Diese spezielle Störung des magnetischen Grundzustands ist intensiv genug, um einen magnetischen Phasenübergang auf der Femtosekunden-Zeitskala zu bewirken (Nature Physics 14, 370-374 (2018)). In unserer Forschung werden wir den Exziton-Magnon-Übergang weiter erforschen, zum Beispiel mit spektral aufgelösten optischen und magneto-optischen Pump-Probe-Experimenten, auch in starken Magnetfeldern.