SFB 1277: Emergente relativistische Effekte in der Kondensierten Materie: Von grundlegenden Aspekten zu elektronischer Funktionalität

Elektronische, optoelektronische und spintronische Technologien basieren heutzutage immer noch auf konventionellen Halbleitern und Metallen, deren elektronische Struktur und Dynamik inzwischen gut verstanden sind. Während ihre Energiespektren komplex sein können, lassen sich ihre elektrischen Transporteigenschaften und optischen Eigenschaften oft anhand von Lehrbuchwissen über Bandstruktur-Modelle verstehen, und ihr technologisches Potenzial ist weitgehend ausgeschöpft. In den letzten Jahren sind jedoch neue Materialklassen identifiziert worden, die für einen Paradigmenwechsel in Hinblick auf eine zukünftige Elektronik sorgen könnten. Viele dieser Materialien gleichen sich darin, dass ihre quasi-freien Elektronen (pseudo-)relativistisches Verhalten aufweisen: In Graphen verhalten sich Elektronen wie masselose Dirac-Teilchen, die die Untersuchung relativistischer Phänomene gewissermaßen in einem Bleistiftstrich ermöglichen. In topologischen Isolatoren ist der Spin der Ladungsträger eng mit ihrem Impuls verkettet, da relativistische Spin-Bahn-Kopplung die Bandstruktur dominiert. In neuartigen zweidimensionalen Halbleitern, wie Übergangsmetall-Dichalkogeniden, verknüpft starke Spin-Bahn-Kopplung die Freiheitsgrade von Elektronen- und Valley“-Spin. Schließlich bestimmt sie an Grenz- und Oberflächen sowie in Nanostrukturen den Transport und ermöglicht neuartige topologische Phänomene.Der SFB1277 hat viele derartige grundlegende Eigenschaften und die damit verbundenen relativistischen Effekte erfolgreich erforscht. In der zweiten Förderperiode werden wir die Materialbasis von Molekülen, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Supraleitern und topologischen Isolatoren erweitern, und zwar auf neuartige Nanoröhren von topologischen Isolatoren, antiferromagnetische Systeme, zweidimensionale Kristalle von Übergangsmetall-Dichalcogeniden sowie auf Hybridstrukturen, funktionalisierte Oberflächen und Grenzflächen. In unseren gut etablierten Kooperationen zwischen Theorie und Experiment untersuchen wir, wie maßgeschneiderte relativistische Effekte zu neuartigen elektronischen, magnetischen, optischen und Transport-Eigenschaften führen können. Die zu erforschenden Schlüsselkonzepte reichen von Spinorbitronik, Valleytronik und antiferromagnetischer Spintronik über Majorana-Fermionen bis hin zu Floquet-Band-Engineering und Lichtwellen-Elektronik. Dabei wird ein maßgeblicher Schwerpunkt auf dynamischen Effekten in pseudo-relativistischen Bandstrukturen und zwischen Grenzflächen liegen. Unsere bisherigen Methoden werden ergänzt durch neue hochmoderne experimentelle Techniken wie zeit-, spin- und winkelaufgelöste Photoelektronen-Spektroskopie sowie ultraschnelle Nanoskopie und Theoriekonzepte, die ab-initio-Methoden mit Vielteilchen-Techniken kombinieren. Aufbauend auf den bisher erzielten Durchbrüchen werden wir Dirac-ähnliche Bandstrukturen und Spin-Bahn-Kopplung nutzen, um erste spintronische, opto- und lichtwellen-elektronische Funktionalitäten zu testen.