Attosekundenchronoskopie von Bloch-Elektronen

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	17 December 2025
Referee:	Prof. Dr. Rupert Huber
Date of exam:	15 September 2025
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Huber > Group Rupert Huber
Projects:	SFB 1277: Emergente relativistische Effekte in der Kondensierten Materie: Von grundlegenden Aspekten zu elektronischer Funktionalität Funded by: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (314695032) Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis 2019 Funded by: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (UNSPECIFIED)
Keywords:	Attosekundenphysik; Festkörperphysik; Lichtwellenelektronik; Licht-Materie-Wechselwirkung; Vielteilchen-Korrelationen
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	78227

Abstract (German)

In jedem Kubikzentimeter eines Festkörpers befinden sich etwa 10²³ Elektronen, deren gegenseitige Wechselwirkungen optische, elektronische, thermische und mechanische Eigenschaften eines Materials definieren. Sie zu entschlüsseln ist daher ein zentrales Ziel in der Festkörperphysik. In dieser Arbeit wird sogenannte Attosekundenchronoskopie entwickelt, um Millielektronenvolt-Energieselektivität ...

Abstract (German)

In jedem Kubikzentimeter eines Festkörpers befinden sich etwa 10²³ Elektronen, deren gegenseitige Wechselwirkungen optische, elektronische, thermische und mechanische Eigenschaften eines Materials definieren. Sie zu entschlüsseln ist daher ein zentrales Ziel in der Festkörperphysik. In dieser Arbeit wird sogenannte Attosekundenchronoskopie entwickelt, um Millielektronenvolt-Energieselektivität und Attosekunden-Präzision (1 as = 10⁻¹⁸ s) zu kombinieren. Damit gelingt es, niederenergetische Korrelationen direkt in der Zeitdomäne anhand der Dynamik von Bloch-Elektronen zu untersuchen. Hierzu regt ein resonanter, nahinfraroter Lichtimpuls kohärente Elektron-Loch-Paare an, während ein hochintensives, mittelinfrarotes Lichtfeld sie kollidiert. Das führt zur Emission von Seitenbändern hoher Ordnung.
Werden diese Kollisionspfade mit einer Präzision von 300 as vermessen, so können Vielteilchen-Korrelationen aufgelöst werden. Die unterschiedlich starke Coulomb-Interaktion in einem Volumenkristall und einer Monolage Wolframdiselenid führt zu einer Änderung der Ladungsträgerdynamik um 1,2 ± 0,3 fs. Darüber hinaus schlagen sich auch die Treiberfeldstärke und Quantenattribute wie der Grad der Valley-Polarisation in der Kollisionsdynamik nieder. Eine voll quantenmechanische Beschreibung der Bewegung der Elektron-Loch-Paare reproduziert die experimentellen Ergebnisse quantitativ und zeigt, wie Coulomb-Korrelationen die Dynamik von Bloch-Elektronen prägen.
Vielteilchen-Interaktionen äußern sich nicht nur als Coulomb-Anziehung innerhalb eines Elektron-Loch-Paares, sondern können ebenso Phasenübergänge treiben. Erste Experimente an Wolframditellurid zeigen, dass Attosekundenchronoskopie auch an Halbmetallen durchgeführt werden kann. Damit steht ein neues Werkzeug zur Untersuchung von Phasenübergängen in verschiedensten Materialien zur Verfügung. Außerdem beschleunigt das hochintensive Lichtfeld Ladungsträger vollständig ballistisch durch einen Festkörper, was die Tür zu einer Welt voller kohärenter Quantenphänomene öffnet.

Translation of the abstract (English)

Each cubic centimeter of a solid contains approximately 10²³ electrons, whose mutual interactions define optical, electronic, thermal, and mechanical properties of a material. Deciphering these interactions is therefore a central goal in solid-state physics. In this work, so-called attosecond chronoscopy is developed to combine millielectronvolt energy selectivity and attosecond precision (1 as = ...

Translation of the abstract (English)

Each cubic centimeter of a solid contains approximately 10²³ electrons, whose mutual interactions define optical, electronic, thermal, and mechanical properties of a material. Deciphering these interactions is therefore a central goal in solid-state physics. In this work, so-called attosecond chronoscopy is developed to combine millielectronvolt energy selectivity and attosecond precision (1 as = 10⁻¹⁸ s). This makes it possible to reveal low-energy correlations directly in the time domain based on the dynamics of Bloch electrons. To this end, a resonant near-infrared light pulse excites coherent electron-hole pairs, while a strong mid-infrared field recollides them. This leads to the emission of high-order sidebands.
By clocking these collision paths with a precision of 300 as, many-body correlations can be resolved. The vastly different Coulomb interaction in a bulk crystal and a monolayer of tungsten diselenide leads to a shift in their charge carrier dynamics by 1.2 ± 0.3 fs. Additionally, the driver field strength and quantum attributes such as the degree of valley polarization are also reflected in the collision dynamics. A fully quantum mechanical description of the motion of the electron-hole-pairs quantitatively reproduces the experimental results and shows how Coulomb correlations shape the dynamics of Bloch electrons.
Many-body interactions manifest themselves not only as Coulomb attraction within an electron-hole pair but can also drive phase transitions. First experiments on tungsten ditelluride show that attosecond chronoscopy can also be performed on semimetals. This provides a new tool for investigating phase transitions in a wide variety of materials. Besides that, the strong light field accelerates charge carriers completely ballistically through a solid, opening the door to a world full of coherent quantum phenomena.

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Preview: Dissertation von Josef Freudenstein

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