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Ultrakurzzeitphysik

Ein Strahl von Femtosekunden-Laserimpulsen regt extrem schnelle Prozesse in einem magnetischen Material an. @ AG Kampfrath

Ein Strahl von Femtosekunden-Laserimpulsen regt extrem schnelle Prozesse in einem magnetischen Material an. @ AG Kampfrath
Bildquelle: Andrea Grützner

Wir nutzen Femtosekunden-Laserimpulse vom Terahertz- bis in den Röntgenbereich, um Filme von extrem schnellen Vorgängen in magne­tischen Materialien und biologischen Molekülen aufzunehmen.

Dabei offenbaren sich uns noch nie gesehene Eigenschaften von Materialien, deren Dynamik mit ultrakurzen Zeitschritten von nur 0,000 000 000 000 01 Sekunden aufgelöst werden kann. Diese Einblicke könnten in Zukunft genutzt werden, um neuartige, kleinere und schnellere Anwendungen in der Prozess- und Informationstechnologie zu entwickeln.

Forschungsfokus

In der am Fachbereich stark ausgeprägten Ultrakurzzeitphysik wird neben atom- und molekülphysikalischen Fragestellungen insbesondere die ultraschnelle Dynamik in Festkörpern, dünnen Schichten und an Oberflächen erforscht. Zum Beispiel liefert das fundamentale Verständnis der ultraschnellen Spindynamik in diesen Systemen die Grundlage für eine spinbasierte Informationstechnologie, da Spins der Elektronen ein enormes Anwendungspotenzial für zukünftige magnetische Speicher und Logikbauelemente mit einfacher Architektur und reduziertem Stromverbrauch besitzen.

Wie sich die magnetische Ordnung oder sogenannte Spinströme nach Anregung mit ultrakurzen Laserpulsen auf der Femtosekundenskala (10-15 s) verhalten, wird sowohl in den experimentellen Arbeitsgruppen als auch in den Theorie-Gruppen untersucht. Diese extrem kurzen Zeitskalen werden von den Elektronen beim ballistischen Transport über Nanometer-Distanzen erreicht. Während zukünftige Anwendungen solch hohe Geschwindigkeiten und entsprechende Terahertz (THz)-Bandbreiten erfordern, arbeiten die meisten heutigen spinbasierten, magnetoelektronischen Bauelemente mit 100-1000fach niedrigeren Taktraten.

Forschung mit dem Ziel, ultraschnelle Technologien möglich zu machen

Unsere Forschung konzentriert sich auch auf neuartige Phänomene in bisher wenig untersuchten Materialklassen und in nanoskaligen Strukturen.

Die Analyse und Steuerung der ultraschnellen Spindynamik bilden die Basis für unser langfristiges Ziel: Die Übertragung von Femtosekunden-Spindynamik in neuartige Funktionalitäten für zukünftige ultraschnelle Technologien.

Unsere Untersuchungsmethoden

  • Ultraschnelle Anrege-Abfrage-Spektroskopie (UV, VIS, IR, THz)
  • Röntgenspektroskopie (Röntgenstreuung und -reflektivität)
  • Photoemission (zeit-, winkel- und spinaufgelöst) sowie Photoelektronen-Mikroskopie
  • Nichtlineare Frequenzerzeugung (SHG)
  • Magnetooptischer Kerr-Effekt (MOKE)
  • Ultraschnelle THz-Rastertunnelmikroskopie
  • Zeitabhängige Dichtefunktional-Theorie (TD-DFT)
  • (Spinabhängige) Transporttheorie
  • Atomistische (Spin-)Dynamik-Simulation
  • Theorie der kohärenten und optimalen Kontrolle
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