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Forschung

Forschungsschwerpunkte der Fachgruppe Mesoskopische Quantendynamik

Transport in Quantenmaterialien

Wir forschen zu Transportphänomenen in Festkörpern, die durch Quanteneffekte zustande kommen, z.B. anomaler Ladungstransport, Spinströme, orbitale Transportphänomene. Hierzu verwenden wir die semiklassische Boltzmann-Transporttheorie, den Kubo-Formalismus, Dichtmatrix-Methoden und Greensche Funktionen. Zur Beschreibung der Festkörpersysteme greifen wir überwiegend auf effektive Modelle und Tight-Binding-Methoden zurück.

Insbesondere beschäftigen wir uns mit Transportphänomenen, die dem Gebiet der Spintronik zuzuordnen sind: Der Spin von Elektronen, eine Form von Drehimpuls und Ursache von Magnetismus, soll als Informationsträger verwendet werden, um zukünftig schnelle, leistungsfähige und nicht-flüchtige Speicher- und Datenverarbeitungsgeräte zu realisieren. Wir untersuchen theoretisch, wie sich der Elektronenspin kontrollieren und transportieren lässt und wie Eigenschaften von Quantenmaterialien durch magnetische und elektrische Felder beeinflusst werden können.

Neben dem Spin kann auch der orbitale Drehimpuls einen Beitrag zu magnetischen Eigenschaften leisten. In der Orbitronik wird untersucht, ob und wie man dieses orbitale magnetische Moment erzeugen, transportieren und möglicherweise zukünftig nutzen kann.

Übersichtsartikel zur Ladungs-Spin-Umwandlung   

Chirale Quantenmaterialien

Ein System wird als chiral bezeichnet, wenn sein Spiegelbild nicht durch Translation und Rotation in die Ausgangsstruktur überführt werden kann. Chiralität ist in Natur und Technik allgegenwärtig, z.B. in chiralen Molekülen oder Schrauben.

Auch Festkörper können chirale Symmetrieeigenschaften aufweisen. Der chirale Charakter eines Festkörpers ist eng mit dessen Spin- und orbitalen Eigenschaften verknüpft. Daher untersuchen wir, wie chirale Struktur, Topologie, elektronische, magnetische, optische und Transporteigenschaften zusammenhängen. Ziel ist es, chiralitäts-induzierte Phänomene, z.B. Transport von Spin und chiraler Ladung vorherzusagen und zu verstehen. Dieser Forschungsschwerpunkt unterstützt den Exzellenzcluster "Center for Chiral Electronics"   .

Licht-Materie-Wechselwirkung

In topologisch nichttrivialen Materialien kann Licht unkonventionelle Transportphänomene erzeugen, z.B. quantisierte Photoströme. Wir berechnen solche lichtinduzierten Transporteffekte und untersuchen, wie diese Phänomene über Polarisation, Pulsform und Struktur von Licht kontrolliert werden können.

Ultraschnelle Spin-Orbitronik

Viele spintronische Phänomene basieren auf dem Konzept der Spin-Bahn-Kopplung, was auch unter dem Begriff Spin-Orbitronik zusammengefasst wird. In den letzten Jahren hat sich das Feld der Orbitronik etabliert, was meint, dass auch der orbitale Freiheitsgrad der Elektronen technologisch genutzt werden soll. Während für spintronische Technologien schwere, seltene oder toxische Materialien benötigt werden, können in der Orbitronik auch leichte, besser verfügbare Materialien verwendet werden.

Wir untersuchen, wie dynamische orbitale und Spin-Transport-Effekte auf ultraschnellen Zeitskalen kontrolliert und genutzt werden können. Dieser Schwerpunkt knüpft an den SFB/TRR 227 "Ultrafast Spin Dynamics"    an.

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