Inelastic light scattering of twisted light on Weyl Semimetals and chiral frustrated spin systems
This experimental Raman study is about the light-matter interaction between twisted light and chiral structured matter. Here, we demonstrate the coupling of orbital angular momentum (OAM) of twisted light to these chiral structures. We expect to see order effects or fluctuations in the inelastic scattering process. These effects occur on a low energy scale with a weak scattering intensity, like an increased quasielastic scattering. Circularly polarized light can lead to chiral dichroism in materials with a chiral structure. Chiral dichroism results in different absorption rates for right- and left-handed circularly polarized light. An analog effect exists in the inelastic light scattering. It is called Raman optical activity (ROA). Chiral dichroism can be combined with magnetic dichroism and vortex dichroism. The absorption rate can be affected by a magnetic field parallel to the propagation direction of light and an inhomogeneous phase front of twisted light. These three effects can be observed simultaneously and can superimpose each other. As a tuning parameter, we apply strong magnetic fields up to 10 Tesla to the investigated samples and use twisted light as an incident polarisation in inelastic scattering experiments. The twisted light used has additional components of circularly polarized light. We study two chiral model systems systematically: On the one hand, we investigate a chiral Weyl semimetal PdGa, in which both the Palladium and the Gallium atoms form a chiral structure within the unit cell, and on the other hand, a frustrated spin system based on a Kagome-like sublattice. The second examined sample system is the oxide YBaCo3FeO7. In this system, the spins of Co3Fe groups are located on a triangular sublattice. These layered sublattices have a Kagome-like coordination. Due to competing interactions within the Kagome-like layer, the spins are frustrated, and long-range order is prohibited. We present a Raman study in strong magnetic fields, comparing spectra of different magnetic field directions with linear polarized, circular polarized, and twisted light. This research aims to gain knowledge on the coupling mechanisms of orbital angular momentum of light onto matter, for which these chiral structures seem to be predestined.
In dieser experimentellen Raman-Studie geht es um die Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen Twisted Light und chiral strukturierter Materie. Wir versuchen, den Bahndrehimpuls (OAM) von Twisted Light an diese chiralen Strukturen zu koppeln. Wir erwarten Ordnungseffekte oder Fluktuationen im in elastischen Streuprozess. Diese Effekte finden auf einer niedrigen Energieskala mit einer schwachen Streuintensität statt. Ein Beispiel ist etwa eine erhöhte quasielastische Streuung. Zirkular polarisiertes Licht kann in chiralen Strukturen zu chiralem Dichroismus führen. Chiraler Dichroismus führt zu unterschiedlichen Absorptionsraten für rechts- und linkszirkular polarisiertes Licht. Ein analoger Effekt existiert in der inelastischen Lichtstreuung, die als optische Raman-Aktivität (ROA) bezeichnet wird. Chiraler Dichroismus kann mit magnetischem Dichroismus und Vortex Dichroismus kombiniert werden, wobei die Absorptionsrate durch ein parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichts ausgerichtetes Magnetfeld und eine inhomogene Phasenfront beeinflusst werden kann. Diese drei Effekte sind überlagerbar. Dazu wenden wir starke Magnetfelder bis zu 10 Tesla an und nutzen in inelastischen Streuexperimenten Twisted Light, das zusätzlich eine zirkulare Polarisation aufweist. Wir untersuchen systematisch zwei chirale Modellsysteme. Einerseits ein chirales Weyl-Halbmetall PdGa, in dem sowohl die Palladium- als auch die Galliumatome in der Elementarzelle eine chirale Struktur bilden, und andererseits ein frustriertes Spinsystem, das auf einem Kagome-ähnlichen Untergitter basiert. Bei diesem zweiten untersuchten Probensystem handelt es sich um das Oxid YBaCo3FeO7. In diesem System liegen die Spins von Co3Fe auf dreieckigen Untergittern. Diese geschichteten Untergitter haben eine Kagome-ähnliche Ausrichtung. Aufgrund der geringen Dimensionalität der Kagome-ähnlichen Schicht führt dies zu einer starken Frustration der magnetischen Spins. Wir präsentieren eine Raman-Studie in starken Magnetfeldern, in der Spektren verschiedener Richtungen des Magnetfelds mit linear polarisiertem, zirkular polarisiertem und Twisted Light verglichen werden. Dieses Forschungsziel besteht darin, Erkenntnisse über die Kopplungsmechanismen des Bahndrehimpulses von Licht an Materie zu gewinnen, für die diese chiralen Strukturen prädestiniert zu sein scheinen.
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