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B3: Optische Untersuchungen zu magneto-elektro-optischen Wechselwirkungen und ihrer Dynamik in oxidischen Heterostrukturen

Es sollen ferroelektrische und multiferroische Schalt- und Kopplungsvorgänge, speziell ihre Dynamik, mittels zeit-integrierter und zeit-aufgelöster (bis in den ps-Bereich) elektro-optischer Ellipsometrie untersucht werden. Hier sollen sowohl die Schaltvorgänge innerhalb eines Materials selbst als auch deren Kopplungen über Grenzflächen hinweg eine Rolle spielen. Die Grenzflächenkopplung erzeugt einen Volumeneffekt, der den optischen Nachweis ermöglicht und die Anwendung als elektro-magneto-optische Schalter oder Speicher in Aussicht stellt. Aufgrund der ferroelelektrischen Remanenz kann direkt oder indirekt über die Kopplung der ferroelektrischen Polarisation und der Magnetisierung permanentes optisches Schalten erzielt werden.

Bezüglich der Dynamik der Schaltvorgänge sind drei Prozesse, die auf verschiedenen Zeitskalen stattfinden, relevant: Der optische Nachweis wird über Änderungen im elektronischen System geführt, welche im fs-Bereich vonstattengehen und somit „instantan“ der ferroelektrischen Polarisation (ps-Bereich) oder Magnetisierung (bis ns-Bereich) folgen. Von besonderem Interesse sind Prozesse die durch Kopplung der ferroelektrischen Polarisation und der Magnetisierung bewirkt werden.

Das elektro-optische Schalten geschieht unter Ausnutzung der elektrisch schaltbaren Polarisation in Ferroelektrika (BaTiO₃). Diese Polarisation erzeugt ein elektrisches Feld, welches die elektronischen Zustände in einem benachbarten Halbleiter durch Bandverbiegung oder Ladungsträgerverschiebung beeinflusst und somit die Intensität bzw. den Polarisationszustand von transmittiertem oder reflektiertem Licht ändert. Das elektro-magneto-optische Schalten in ferroelektrisch-ferromagnetischen. ferroelektrisch-ferromagnetisch-halbleitenden oder multiferroisch-halbleitenden Heterostrukturen geschieht durch das Erzeugen einer Magnetisierung mittels einer elektrisch geschalteten ferroelektrischen Polarisation, welche unmittelbar im Material oder mittelbar durch eine in einem benachbarten Material hervorgerufene Spin-Polarisation die Polarisationseigenschaften von transmittiertem oder reflektiertem Licht beeinflusst. Hierfür sind sowohl zweidimensionale Elektronengase (2DEG) in ZnO-Quantengräben oder in ZnO-MgZnO- oder LaAlO₃-SrTiO₃-Grenzflächen, als auch Volumenmaterialien wie z.B. Zinkferrit und Zinkkobaltit interessant.