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Forschungsziele

Der anhaltende Trend zur Miniaturisierung von Bauelementen in moderner Technologie kommt mittlerweile an fundamentale, physikalische Grenzen der angewandten Materialien. Die Suche nach neuen Nanostrukturen mit neuen Funktionalitäten hat atomar dünne Nanomaterialien in den Fokus der aktuellen Forschung gerückt. Die prominentesten Represäntanten dieser Materialklasse sind Graphen und Übergangsmetal-Dichalcogenide (TMDs) sowie die daraus aufgebauten van der Waals Heterostrukturen. Sie besitzen eine Reihe von außerordentlichen optischen, elektronischen, mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften, die sie zu vielversprechenden Kandidaten für die Anwendung in der nächsten Generation von ultradünner, flexibler und transparenter Nanotechnologie machen.

Monolagen von den meist untersuchten atomar dünnen Nanomaterialien (MoS2, MoSe2, WS2, WSe2) besitzen eine direkte Bandlücke und sind durch eine starke Exziton-Physik gekennzeichnet („excitonics“). Sie besitzen eine außerordentliche Exziton-Landschaft mit hellen und dunklen Exzitonzuständen. Die faszinierende Exziton-Physik wird noch spannender, wenn man diese atomar dünnen Materialien zu van der Waals Heterostrukturen stapelt. Die effiziente Coulomb Wechselwirkung führt nämlich zur Ausbildung von räumlich separierten Interlagen-Exzitonen, bei denen die gebundenen Elektronen und Löcher in verschiedenen Monolagen lokalisiert sind. Ein anderer hochinteressanter Aspekt von den Heterostrukturen ist das Erscheinen von periodischen Moiré Potentialen aufgrund vom Gitterversatz der gestapelten Monolagen. Führt man nun einen Verdrehungswinkel (twist angle) ein, kann man diese Moiré Potentiale extern kontrollieren und damit die Grenzflächen und ihre fundamentalen Eigenschaften tunen („twistronics“). Eine wichtige Konsequenz ist die Möglichkeit, Exzitonen in diesen Potentialen einzufangen, was in neuartigen, exotischen Quantenphänomenen führen kann, wie zum Beispiel topologische Exziton-Isolatoren sowie Supraleitung.

Das Ziel unserer Forschung ist es, mikroskopische Einsichten in die faszinierende Welt der Exzitonen in atomar dünnen Nanomaterialien zu erlangen. Basierend auf dem Dichtematrix-Formalismus entwickeln wir materialspezifische und realistische Modelle für die Beschreibung von Vielteilchenprozessen hinter experimentell zugänglichen Phänomenen in Photolumineszenz, Absorption, Pump-Probe, zeitlich aufgelöster ARPES sowie Diffusion und Photostrom Messungen. Unser Fokus liegt dabei insbesondere auf der ultraschnellen Quantendynamik in TMD Monolagen und deren Homo- und Heterobilagen. Basierend auf voll quantenmechanischen Modellen lösen wir die ultraschnelle Dynamik von Exzitonen in Zeit, Impuls und Ort auf.

Wir sind dabei an folgenden Forschungsthemen interessiert:

• Exziton-Optik einschließlich indirekter Signaturen von dunklen Exzitonen,
• Exziton-Dynamik einschließlich zeitlich und spektral aufgelöster Prozesse bei Exziton-Ausbildung, Thermalisierung und Zefall
• Exziton-Diffusion and Transport in Besetzungsdichte-, Temperatur- und Verspannungs-Gradienten,
• Moiré Exzitonen einschließlich deren Signaturen in Optik, Dynamik und Transport,
• Exziton Polaritonen in stark gekoppelten Regimen mit Kavitäten und Plasmonen,
• Exziton-basierte Sensorkonzepte für Moleküle, Verspannung und Licht,
• Exziton-Elektron Wechselwirkungen in TMD Monolagen und TMD-basierten Heterostrukturen.