Nachrichten

• Maja Feierabend: Doktorarbeit erfolgreich verteidigt. Herzlichen Glückwunsch an unsere Mitarbeiterin Maja Feierabend in Schweden, die ihre Doktorarbeit "Microscopic theory of externally tunable exciton signatures of two dimensional materials" erfolgreich verteidigt hat!
• Drei Promotionspreise für Samuel Brem Wir gratulieren unserem Postdoc Samuel Brem für die Anerkennung seiner Doktorarbeit durch gleich drei verschiedene Promostionspreise: GCC/2D-TECH Preis, Promotionspreis des Fachbereichs Physik in Chalmers sowie Arne Sjögrens Preis.
• Visualisierung von dunklen Exzitonen (publiziert in Nano Lett.) In einer exzellenten Kooperation mit Ulrich Höfer und Rupert Huber haben wir zeitaufgelöste ARPES Messungen mit mikroskopischer Theorie kombiniert, um die ultraschnelle Dynamik von dunklen Exzitonen in WS2 Monolagen direkt zu visualisieren. Unsere Arbeit wurde gerade bei Nano Letters veröffentlicht.
• Neue Einsichten in nicht-klassischen Exziton-Transport (publiziert in PRL) In einer exzellenten Kooperation mit Alexey Chernikov (Universität Dresden) und Mikhail Glazov (Ioffe Institute, Russland) haben wir neue mikroskopische Einsichten in nicht-klassischen Exziton-Transport bei tiefen Temperaturen in WSe2 Monolagen gewonnen. Unsere Arbeit wurde bei Physical Review Letters (als Editors’s Suggestion) veröffentlicht.
• Schnelle Exziton-Dynamik in MoS2-Bilagen (publiziert in PRL) In einer gemeinsamen Studie mit den Forschungsgruppen von Elaine Li (University of Texas), Ulrike Woggon und Andreas Knorr (TU Berlin) haben wir eine viel schnellere Exziton-Dynamik in MoS2-Bilagen als in Monolagen demonstriert. Wir konnten dies auf effiziente Exziton-Phonon Streuung zu dunklen Exziton-Zuständen zurückführen. Die Arbeit wurde in Physical Review Letters publiziert.
• Austausch-Wechselwirkung mittels winkelaufgelöster Photolumineszenz (publiziert in Nanoscale Horizons) Wir haben die Rolle der Austausch-Wechselwirkung auf die optischen Eigenschaften einer TMD-Monolayer untersucht. Insbesondere bringen wir hervor, dass winkelaufgelöste Photolumineszenz durch Veränderung der optischen Polarisation, der Temperatur und des äusseren Magnetfeldes als eindeutige Sonde der Austausch-Wechselwirkung wirkt. Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von Witlef Wieczorek & Saroj Dash (Chalmers) und Christian Schneider (Oldenburg). Unsere Arbeit wurde in Nanoscale Horizons veröffentlicht.
• Unerwarteter Transport von dunklen Exzitonen in atomdünnen Halbleitern (publiziert in Nature Communications) In dieser gemeinsamen Theorie-Experiment Studie haben wir Photolumineszenz-Messungen mit mikroskopischer Theorie kombiniert, um den Weg der Exzitonen in Zeit, Raum und Energie auflösen zu können. Wir fanden überraschenderweise, dass sich die Exzitonen anders verhalten als erwartet: Sie bewegen sich hin zu Regionen niedriger Dehnung des Materials. Dieses sogenannte Anti-funneling-Verhalten kann auf die dominierende Rolle der dunklen Exzitonen zurückgeführt werden. Die Arbeit wurde in enger Kooperation mit der Forschungsgruppe von Rudolf Bratschitsch ausgeführt und wurde in Nature Communications veröffentlicht.
• Terahertz Fingerprint of Monolayer Wigner Crystals (published in Nano Letters) Wigner crystals are solid, crystalline phases of electrons, formed at low temperatures in order to minimize their repulsive energy. This formation is one of the most intriguing quantum phase transitions and their experimental realization remains challenging since their theoretical prediction. However, the strong Coulomb interaction in monolayer semiconductors represents a unique opportunity for the realization of Wigner crystals without external magnetic fields. In this work, we predicted that the formation of monolayer Wigner crystals can be detected by their terahertz response spectrum, which exhibits a characteristic sequence of internal optical transitions. Moreover, a characteristic shift of the peak position as a function of charge density for different atomically thin materials was predicted and showed how the results can be generalized to an arbitrary two-dimensional system. The results will guide future experiments toward the detection of Wigner crystallization and help to study the interaction dynamics in pure and generalized Wigner crystals in twisted bilayers.
• Moiré Exciton Polaritons in twisted materials (published in Nano Letters) Twisted atomically thin semiconductors are characterized by moire excitons. Their hybridization with photons in the strong coupling regime for heterostructures integrated in an optical cavity has not been well understood yet. In this work, we combined an excitonic density matrix formalism with a Hopfield approach to provide microscopic insights into moire exciton polaritons. In particular, they show that exciton-light coupling, polariton energy, and even the number of polariton branches can be controlled via the twist angle. These new hybrid light-exciton states become delocalized relative to the constituent excitons due to the mixing with light and higher-energy excitons. The system can be interpreted as a natural quantum metamaterial with a periodicity that can be engineered via the twist angle. The work has been published in Nano Letters.
• Formation of moiré interlayer excitons in space and time (published in Nature) Moiré superlattices in atomically thin van der Waals heterostructures hold great promise for extended control of electronic and valleytronic lifetimes, the confinement of excitons in artificial moiré lattices and the formation of exotic quantum phases. Such moiré-induced emergent phenomena are particularly strong for interlayer excitons, where the hole and the electron are localized in different layers of the heterostructure. To exploit the full potential of correlated moiré and exciton physics, a thorough understanding of the ultrafast interlayer exciton formation process and the real-space wavefunction confinement is indispensable. Here we show that femtosecond photoemission momentum microscopy provides quantitative access to these key properties of the moiré interlayer excitons. First, we elucidate that interlayer excitons are dominantly formed through femtosecond exciton–phonon scattering and subsequent charge transfer at the interlayer-hybridized Σ valleys. Second, we show that interlayer excitons exhibit a momentum fingerprint that is a direct hallmark of the superlattice moiré modification. Third, we reconstruct the wavefunction distribution of the electronic part of the exciton and compare the size with the real-space moiré superlattice. Our work provides direct access to interlayer exciton formation dynamics in space and time and reveals opportunities to study correlated moiré and exciton physics for the future realization of exotic quantum phases of matter.
• Nanophysik: Wo die Löcher im Flickenteppich herkommen (publiziert in Nature Communications) Patchwork mit Anwendungspotenzial: Setzt man extrem dünne Halbleiternanoschichten aus Flächen zusammen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, so finden sich darin Quasiteilchen mit vielversprechenden Eigenschaften für eine technische Nutzung. Das zeigt ein internationales Team aus der Physik unter Marburger Leitung, indem es theoretische Untersuchungen mit Messdaten vergleicht. Die Forschungsgruppe berichtet in der Wissenschaftszeitschrift „Nature Communications“ über ihre Ergebnisse.
• Electrical control of hybrid exciton transport in a van der Waals heterostructure (published in Nature Photonics) Interactions between out-of-plane dipoles in bosonic gases enable the long-range propagation of excitons. The lack of direct control over collective dipolar properties has hitherto limited the degrees of tunability and the microscopic understanding of exciton transport. In this work, we modulate the layer hybridization and interplay between many-body interactions of excitons in a van der Waals heterostructure with an applied vertical electric field. By performing spatiotemporally resolved measurements supported by microscopic theory, we uncover the dipole-dependent properties and transport of excitons with different degrees of hybridization. Moreover, we find constant emission quantum yields of the transporting species as a function of excitation power with dominating radiative decay mechanisms over nonradiative ones, a fundamental requirement for efficient excitonic devices. Our findings provide a complete picture of the many-body effects in the transport of dilute exciton gases and have crucial implications for the study of emerging states of matter, such as Bose-Einstein condensation, as well as for optoelectronic applications based on exciton propagation.
• Tag der Physik - Die Welt mit anderen Augen sehen Der Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg lud am 6. Mai Interessierte zu einem umfangreichen Erlebnisprogramm auf den Renthof ein und führte den ganzen Tag durch die Welt der Physik. Es gab verschiedene Experimente, Führungen durch Forschungslabore und die Sternwarte, eine spannende Physikshow und zum Abschluss öffnete die Bühne zum „Science Slam“. Ein toller Tag mit vielen Besuchern, der sogar von einem HR Fernsehteam begleitet wurde.
• Bosonic Delocalization of Dipolar Moiré Excitons (published in Nano Letters) In superlattices of twisted semiconductor monolayers, tunable moiré potentials emerge, trapping excitons into periodic arrays. In particular, spatially separated interlayer excitons are subject to a deep potential landscape and they exhibit a permanent dipole providing a unique opportunity to study interacting bosonic lattices. Recent experiments have demonstrated density-dependent transport properties of moiré excitons, which could play a key role for technological applications. However, the intriguing interplay between exciton−exciton interactions and moiré trapping has not been well understood yet. In this work, we develop a microscopic theory of interacting excitons in external potentials allowing us to tackle this highly challenging problem. We find that interactions between moiré excitons lead to a delocalization at intermediate densities, and we show how this transition can be tuned via twist angle and temperature. The delocalization is accompanied by a modification of optical moiré resonances, which gradually merge into a single free exciton peak.