Festkörperphysik
Angewandte Festkörperphysik
Wir beschäftigen uns mit der Erforschung von Halbleitern sowohl im Hinblick auf grundlegende physikalische Phänomene als auch auf die Entwicklung innovativer Bauelemente in zwei Hauptarbeitsgebieten:
Molekularstrahlepitaxie (MBE) zur Herstellung von Halbleiterheterostrukturen sowie fokussierte Ionenstrahlimplantation (FIB) zur Materialbearbeitung.
Durch „band-gap-engineering“ werden mittels MBE in AlInGaAs niedrigdimensionale Halbleiter hoher Güte mit Monolagenauflösung realisiert. Das sind zweidimensionale Elektronenschichten, wie sie in jedem Feldeffekttransistor auftreten, eindimensionale Quantendrähte oder auch nulldimensionale Quantenpunkte, die elementare Funktionseinheiten zukünftiger Supercomputer bilden werden.
Die räumlichen Einschränkungen führen zu Quantenphänomenen, wie beispielsweise dem Quanten-Hall-Effekt und der Leitfähigkeitsquantisierung. Wir vermessen unsere Halbleiter optisch und elektrisch – auch bei tiefen Temperaturen. Diese dienen als Grundlage für Spitzenforschung in weltweiten Kooperationen. Da die Grenzen heutiger Lithographieverfahren absehbar sind, haben wir eine maskenlose Strukturierungstechnik mittels FIB implementiert, die völlig ohne Chemie auskommt. Diese Technik erlaubt es, laterale Strukturen bis in den NANOmeter-Bereich zu erzeugen. Individuelle neuartige Bauelemente (z.B. in-plane-gate Transistoren) und NANO-Strukturen zur Erforschung von Quantenphänomenen werden dadurch möglich.
Experimentelle Oberflächenphysik
Wir untersuchen die geometrische, elektronische, vibronische und magnetische Struktur von Nanostrukturen und Dünnschichtsystemen auf Halbleiter- oder Oxidoberflächen. Von besonderem Interesse sind dabei die Dynamik der Entstehungsprozesse der Strukturen, Wachstums-, Adsorptions- und Diffusionsprozesse.
Technologische Zielsetzung ist dabei, Schichten oder Nanostrukturen mit vorgegebenen strukturellen, magnetischen oder chemischen Eigenschaften herzustellen. Die Hauptmessmethode ist die Rastertunnelmikroskopie (STM). Die Abbildung der Proben mit atomarer Auflösung erfolgt im Ultrahochvakuum während der Entstehung der Nanostrukturen oder der ultradünnen Schichten. Direkt während des Wachstums wird die Oberfläche zeitaufgelöst beobachtet, wodurch man die Wachstums- und Strukturbildungsprozesse verfolgen kann.
Chemische Informationen über den Zustand der Oberfläche werden mittels hochauflösender Elektronen-Spektroskopie-Methoden erhalten. Die Schwingungsmoden von den an der Oberfläche gebundenen Molekülen zusammen mit den Ergebnissen der Rastertunnelmikroskopie erlauben eine genaue Charakterisierung der Bindungsverhältnisse von Molekülschichten auf Oberflächen. Magnetische Eigenschaften von Nanostrukturen werden direkt während der Herstellung mittels des magneto-optischen Kerr-Effekts (MOKE) untersucht. So kann auch das Verhalten magnetischer Domänen auf einer sub-Mikrometerskala beobachtet werden.
Experimentelle Spektroskopie der kondensierten Materie
In Festköpern läuft eine Vielzahl physikalischer Prozesse innerhalb von nur wenigen Nanosekunden oder Pikosekunden ab. Beispiele sind die Rekombination von Ladungsträgern, Magnetisierungsdynamik oder Spinrelaxation. Die Arbeitsgruppe Spektroskopie der kondensierten Materie macht solche Prozesse mit laserspektroskopischen Verfahren sichtbar. Kurzpulslaser ermöglichen die Untersuchung derart schneller Phänomene mit einer Zeitauflösung von etwa 100 fs.
Ein Schwerpunkt unserer experimentellen Arbeit ist dabei das Entwickeln von Materialien und Strukturen, die lange Spinlebenszeiten zeigen und für die Halbleiterspinelektronik genutzt werden können. Die Arbeitsgruppe trägt darüber hinaus zum wachsenden Gebiet der Fluktuationsspektroskopie bei. Es werden Methoden entwickelt, um die zufällige thermische Bewegung von z.B. Elektronenspins in Festkörpern oder den stochastischen Transport von Ladungsträgern in Widerständen zu vermessen und sinnvoll zu charakterisieren. Dafür wurde ein System entwickelt, das Datenströme von ca. 0,4 GByte/s in Echtzeit verarbeitet und Regelmäßigkeiten (Korrelationen) aufdeckt, die im Rauschen verborgen sind.
Die so genannte Korrelationsspektroskopie wird u.a. angewendet bei der Untersuchung von kritischer Dynamik an Phasenübergängen, der Quantendynamik von mesoskopischen Systemen und dem Aufspüren von systematischen Störquellen in hochempfindlichen Messungen.
Theoretische Festkörperphysik
Die theoretische Physik der kondensierten Materie verdankt ihre Reichhaltigkeit und Komplexität der Tatsache, dass sie sich mit der Quantentheorie von Vielteilchensystemen beschäftigt. Diese Theorie beschreibt eine sehr große Anzahl von Atomen oder Ionen und deren gegenseitige Wechselwirkungen (oder Korrelationen), wobei Phänomene, die einen reinen quantenmechanischen Ursprung haben, eine große Bedeutung aufweisen.
In unserer Arbeitsgruppe verwenden wir verschiedene theoretische Methoden, um die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von stark korrelierten niedrigdimensionalen Systemen zu studieren, einschließlich der unkonventionellen Hochtemperatur- Supraleitung, die in vielen solchen Systemen entsteht. Die Besonderheit dieser Systeme besteht darin, dass die Elektron-Elektron-Korrelationen sich durch den Effekt der niedrigen Dimensionalität und der Konkurrenz von Spin-, Ladungs- und orbitalen Freiheitsgraden deutlich verstärken. Darüber hinaus ist in solchen Fällen zu berücksichtigen, dass der Grundzustand solcher Systeme sich als Funktion eines einzelnen Parameters drastisch verändern kann.
Außerdem beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe mit niedrigdimensionalen stark korrelierten Systemen, die eine geometrische Frustration der magnetischen Ordnung aufweisen und die für viele exotische Quantenzustände der Materie verantwortlich sind.
Experimentelle Festkörperphysik
Wir beschäftigen uns mit Quantenmaterialien, deren Eigenschaften ganz wesentlich von quantenmechanischen Effekten bestimmt werden. Hier führt beispielsweise die Wechselwirkung zwischen Elektronen untereinander und zwischen Elektronen und Ionen des Kristallgitters zu vielfältigen Phänomenen, wie magnetischer Ordnung, Ladungsdichtewellen oder Supraleitung.
Wir stellen diese, oft intermetallischen Verbindungen als Einkristalle selbst durch Flusszüchtung her. Ihre, häufig noch unbekannten, strukturellen und chemischen Eigenschaften untersuchen wir mit diversen Methoden. Dies reicht von Strukturbestimmung und chemischer Analyse, über elektrischen Transport und thermodynamische Eigenschaften zu Röntgen- und Neutronendiffraktion. Dabei betrachten wir einen weiten Temperaturbereich von ca. 1 K - 400 K und hohe Magnetfeldern von bis zu 17 T. Eine besondere Rolle spielt die Untersuchung von durch uniaxialen Druck und Dehnung verursachter Effekte, die wir mittels hochaufgelöster Messung von thermischer Ausdehnung, elastischer Module und Elastotransport aufklären.
Unser Ziel ist es, die Eigenschaften komplexer Materialien zu verstehen und zu lernen, diese gezielt zu steuern. Zum Beispiel lassen sich durch Änderungen der Zusammensetzung oder (anisotropen) Druck neue Phasen induzieren und funktionale Eigenschaften erreichen. Dabei suchen wir insbesondere nach neuen Quantenmaterialien mit exotischen Eigenschaften mit Methoden des Materialdesigns.