Fundamental interactions governing the (non-)equilibrium electronic structure in low dimensions

Abstract

This thesis explores the electronic structure and ultrafast dynamics of two lowdimensional materials with focus on the role of intrinsic interactions and couplings to the environment. Charge carriers in the matter are never completely independent: they interact among each other and couple to lattice vibrations (phonons) and other excitations. Their behavior is also influenced by the environment in which the material is embedded. Moreover, confining charges to low dimensions promotes interactions and enhances the impact of the environment. All these factors lead to a variety of static and dynamic properties, and potentially to the emergence of new phases of matter. Investigating a system out of its equilibrium helps the assignment of each fundamental interaction to the related physical property. Remarkably, addressing ultrafast dynamics can also uncover novel properties which otherwise would not be accessible at equilibrium.

The first study of this thesis explores the modification of the unoccupied electronic structure of ultrathin films of SiO2 by electron quantum confinement and investigates the electronic coupling at the interface with the Ru(0001) substrate. By means of timeresolved two-photon photoelectron spectroscopy, the formation of quantized states is resolved, whose energies are altered by the image potential of the metal.

The second and major study deals with the quasi-one-dimensional material Ta2NiSe5 which shows a combined electronic and structural phase transition upon heating and likely exhibits an excitonic insulator ground state. Here, the ultrafast charge carrier, exciton and lattice dynamics are disclosed by complementary time-resolved photoelectron and optical spectroscopies. The electron relaxation rate follows an anomalous dependence on the excess energy and is reduced by the transient increase of screening of the Coulomb interaction. The coherent phonon dynamics are generated by the photoinduced displacement of the charges. Optical absorption saturation restrains the number of photoexcited charges thereby hindering a photoinduced structural change. Also, the electronic band gap is transiently modulated by means of light. Nontrivially, it widens upon photoinduced strengthening of the excitonic insulator order parameter in remarkable agreement with Hartree-Fock calculations. These findings show that intrinsic interactions highly impact on the properties of Ta2NiSe5. Moreover, they demonstrate that it is possible to optically control the out-of-equilibrium electronic structure of a strongly interacting system on an ultrafast timescale.

These studies show that unraveling the role of fundamental interactions in low dimensions provides profound understanding and potential control of the equilibrium electronic structure and the photoinduced ultrafast dynamics of very diverse materials.

Diese Arbeit behandelt die elektronische Struktur und die ultraschnelle Dynamik zweier niederdimensionaler Materialien, wobei das Augenmerk auf intrinsischenWechselwirkungen und Kopplungen mit der Umgebung liegt. Ladungsträger in Materialien sind niemals vollkommen unabhängig: Sie interagieren miteinander und koppeln an Gitterschwingungen (Phononen) und andere Anregungszustände. Ihr Verhalten wird auch durch die Umgebung beeinflusst, in die das Material eingebettet ist. Darüber hinaus fördert die Verringerung der Dimensionalität dieWechselwirkungen der Ladungen untereinander und erhöht den Einfluss der Umgebung auf sie. Alle diese Faktoren führen zu einer Vielzahl statischer und dynamischer Eigenschaften und immer wieder auch zu Phasenübergängen. Die Untersuchung angeregter Zustände eines Systems hilft, eine Verbindung zwischen fundamentalen Wechselwirkungen und physikalischen Eigenschaften herzustellen. Durch die Beobachtung ultraschneller Dynamik in einem Material können zudem neuartige Eigenschaften entdeckt werden, welche im Grundzustand nicht sichtbar sind. Im ersten Teil der Arbeit wird die unbesetzte elektronische Struktur ultradünner SiO2-Filme untersucht, welche durch Quanteneinschluss der Elektronen und ihre elektronische Kopplung an das Ru(0001)-Substrat erzeugt wird. Unter Verwendung von zeitaufgelöster Zweiphotonen-Photoelektronenspektroskopie werden quantisierte Zustände beobachtet, deren Energien durch das metallische Bildpotential modifiziert werden. Der zweite Teil und Schwerpunkt dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem quasieindimensionalem Material Ta2NiSe5, das temperaturabhängig einen simultanen elektronischen und strukturellen Phasenübergang aufweist und wahrscheinlich im Grundzustand ein exzitonischer Isolator ist. Hier wird die ultraschnelle Ladungsträger-, Exzitonen- und Gitterdynamik komplementär mit zeitaufgelöster Photoelektronen- und optischer Spektroskopie untersucht. Die Elektronenrelaxationsrate hat eine ungewöhnliche Abhängigkeit von der Elektronenenergie und wird durch die transiente Abschirmungszunahme der Coulomb-Wechselwirkung verringert. Die Phononendynamik wird von photoangeregter Ladungsverschiebung getrieben. Eine optische Absorptionssättigung begrenzt die Zahl der angeregten Ladungsträger, wodurch ein photoinduzierter struktureller Phasenübergang verhindert wird. Durch Licht kann auch die elektronische Bandlücke temporär verändert werden. Bemerkenswerterweise vergrößert sie sich durch eine photoinduzierte Erhöhung des Ordnungsparameters des exzitonischen Isolators, was durch Hatree-Fock Rechnungen bestätigt wird. Diese Ergebnisse unterstreichen den großen Einfluss intrinsischer Wechselwirkungen auf die Eigenschaften von Ta2NiSe5. Darüber hinaus liefern sie den Beweis, dass die angeregte elektronische Struktur eines stark wechselwirkenden Systems auf einer ultraschnellen Zeitskala optisch kontrollierbar ist. Diese Untersuchungen belegen die essentielle Bedeutung fundamentaler Wechselwirkungen für das Verständnis von und die Kontrolle über die elektronische Struktur und photoinduzierte Dynamik in sehr unterschiedlichen Systemen.