As conventional electronics approaches its fundamental limits, novel concepts of ultrafast quantum control have been sought after. Lightwave electronics has opened the door to a new regime, where the oscillating carrier wave of intense light pulses can be used to control electrons faster than a cycle of light. In this thesis, intense single- and few-cycle light pulses in the terahertz (THz) ...
Abstract (English)
As conventional electronics approaches its fundamental limits, novel concepts of ultrafast quantum control have been sought after. Lightwave electronics has opened the door to a new regime, where the oscillating carrier wave of intense light pulses can be used to control electrons faster than a cycle of light. In this thesis, intense single- and few-cycle light pulses in the terahertz (THz) spectral regime are utilized to coherently control the electron’s spin as well as its translational motion on the femtosecond timescale (1 fs = 10¹⁵ s) and with minimal energy dissipation. The presented results offer a promising route towards future ultrafast, low-loss information technology based on coherent lightwave control.
First, low-energy THz pulses are utilized to coherently switch the electron’s most important quantum attribute – its spin – between two stable states separated by a potential barrier, in the fastest and least dissipative way. This is achieved by coupling spins in the prototypical antiferromagnetic thulium orthoferrite (TmFeO₃) with the locally enhanced THz electric field of custom-tailored antenna structures. The single-cycle THz pulses abruptly change the magnetic anisotropy and trigger a large-amplitude ballistic spin motion. The observed dynamics hallmark a novel regime of ultrafast all-coherent spin control throughout the entire phase space. This sets the stage for practical spin memories operating at THz clock rates, and ultimately low dissipation close to the Landauer limit.
In a second set of experiments, the electric field of intense single- and few-cycle THz waveforms is used to ballistically accelerate Dirac electrons in the surface band of the topological insulator bismuth telluride (Bi₂Te₃). Simultaneously, the lightwave-driven dynamics is traced by time- and angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). For the first time, even strong light-matter interaction, involving THz-driven intraband and interband dynamics, can be resolved directly in the band structure and on a subcycle timescale. The novel subcycle THz-ARPES studies will help answering key open questions of lightwave electronics and may pave the way to dissipation-free, topological-insulator-based lightwave-driven electronic devices with optical clock frequencies.
Translation of the abstract (German)
Über Jahrzehnte hinweg schritt die Entwicklung elektronischer Geräte rasant voran. Doch allmählich werden die fundamentalen Grenzen der klassischen Elektronik spürbar. So stagnieren schon seit einigen Jahren die Taktraten von Computern, also die Anzahl der möglichen Rechenoperationen pro Sekunde und Transistor. Nicht zuletzt deshalb, wird die Sehnsucht nach neuartigen Konzepten, die eine ...
Translation of the abstract (German)
Über Jahrzehnte hinweg schritt die Entwicklung elektronischer Geräte rasant voran. Doch allmählich werden die fundamentalen Grenzen der klassischen Elektronik spürbar. So stagnieren schon seit einigen Jahren die Taktraten von Computern, also die Anzahl der möglichen Rechenoperationen pro Sekunde und Transistor. Nicht zuletzt deshalb, wird die Sehnsucht nach neuartigen Konzepten, die eine ultraschnelle Quanteninformationsverarbeitung ermöglichen, immer größer. Die Kernidee der Lichtwellenelektronik besteht nun darin, die oszillierende Trägerwelle intensiver Lichtimpulse zu verwenden, um Elektronen auf einer Zeitskala kürzer als eine einzige Lichtschwingung zu kontrollieren. Im Rahmen dieser Arbeit werden intensive Terahertz (THz)-Lichtimpulse mit nur wenigen optischen Zyklen dazu genutzt, um den Spin sowie die Bewegung von Elektronen innerhalb eines Festkörpers auf der Femtosekunden-Zeitskala (1 fs = 10¹⁵ s) und mit minimalem Energieaufwand zu kontrollieren. Die präsentierten Ergebnisse, die eine kohärente und höchst-effiziente Lichtwellenkontrolle ermöglichen, leisten so einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung einer ultraschnellen und verlustfreien Informationstechnologie der Zukunft.
Zunächst werden niederenergetische Lichtimpulse im THz-Spektralbereich dazu verwendet, um die am technologischsten relevanteste Quanteneigenschaft des Elektrons - seinen Spin – kohärent und auf die schnellste und effizienteste Weise zwischen zwei stabilen Zuständen zu schalten. Dazu koppelt man Spins im antiferromagnetischen Thulium-Orthoferrit (TmFeO₃) mit dem lokal verstärkten elektrischen THz-Feld im Nahfeld von maßgeschneiderten Antennenstrukturen. Diese ultrakurzen und höchst-intensiven Lichtblitze verändern abrupt das magnetische Anisotropiepotential und lösen so eine ballistische Spinbewegung mit großer Amplitude aus. Die beobachtete Dynamik kennzeichnet ein neuartiges Regime ultraschneller Spin-Kontrolle durch den gesamten Phasenraum. Diese Erkenntnisse legen den Grundstein für eine neue Generation der Informationstechnologie, die nicht nur eine maximal effiziente, sondern auch ultimativ schnelle Datenspeicherung ermöglicht.
In einer zweiten Reihe von Experimenten wird das elektrische Feld intensiver Lichtwellen im THz-Spektralbereich dazu verwendet, um Dirac-Elektronen im Oberflächenzustand des topologischen Isolators Bismuttellurid (Bi₂Te₃) ballistisch zu beschleunigen. Darüber hinaus lässt sich mittels zeit- und winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES) diese kohärente, lichtwellengetriebene Dynamik direkt in der Bandstruktur und auf einer Subzyklen-Zeitskala nachverfolgen. Zum ersten Mal überhaupt konnten so auch Schnappschüsse des kohärenten Zusammenspiels von THz-getriebener Intrabandbeschleunigung und Interband-Anregung aufgenommen werden. Diese neuartige Messmethode, die Lichtwellenelektronik und ARPES vereint, wird in Zukunft nicht nur dazu beitragen wichtige offene Fragen der ultraschnellen Festkörperphysik zu beantworten, sondern könnte überdies auch den Weg zu einer verlustfreien, topologischen Lichtwellenelektronik ebnen, die elektronische Bauteile mit THz- oder sogar Petahertz-Taktraten ermöglicht.
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