Ultrafast-Lasersystem untersucht die magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Perowskiten und Van-der-Waals-Kristallen

Die Herausforderung

Fortschrittliche 2D-Materialien wie komplexe Oxid-Heterostrukturen und so genannte Van-der-Waals-Kristalle (vdW-Kristalle) – mehrschichtige Anordnungen aus 2D-Materialien – versprechen eine verbesserte Funktionalität für Magnetspeicher, Solarzellen und andere photonische Anwendungen. Eine Gruppe unter der Leitung von Professor Andrea Caviglia am Kavli Institute of Nanoscience der Technischen Universität Delft in den Niederlanden betreibt wichtige Grundlagenforschung zur Ultrafast-Dynamik mehrerer Klassen dieser Materialien. Er erklärt: „Eines unserer Ziele ist es, zu verstehen, wie vorübergehende strukturelle Störungen die magnetischen Eigenschaften auf der Sub-Pikosekunden-Zeitskala beeinflussen. Dazu benötigen wir eine Methode, um unverfälschte Proben der verschiedenen Schichten zu erzeugen und dann eine Möglichkeit, niederfrequente Phononenmoden anzuregen und die Ergebnisse zu beobachten.“

Die Lösung

Die Herstellung der Musterschichten wurde mit einem Coherent LPX Pro Excimerlaser für die gepulste Laserabscheidung (PLD) bei 248 nm erzielt. Dieser ermöglicht die Herstellung stöchiometrischer Filme aus komplexen Materialien.

Die Untersuchung der Ultrafast-Dynamik ist eine technische Herausforderung, da die dazu erforderliche Pump-Probe-Methode abstimmbares Licht im mittleren Infrarotbereich als Pumpimpulse benötigt, die selektiv bestimmte Phononschwingungen anregen können. Die pumpinduzierte Dynamik wird dann durch die Verfolgung der Intensität I und der Rotation der Polarisationsebene θ von zeitverzögerten kopropagierenden Nahinfrarot-Sondenpulsen bei einer Photonenenergie von 1,55 eV, d. h. 800 nm, gemessen. Caviglia erklärt: „Wir müssen Pulse im mittleren Infrarotbereich mit relativ hoher Intensität erzeugen, was elektrischen Feldern im Bereich von MV/cm entspricht, und wir brauchen eine hohe Puls-zu-Puls-Stabilität. Wir erhalten diese Pulse, indem wir einen Coherent Astrella-Verstärker verwenden, um ein Paar abstimmbarer optischer parametrischer Verstärker (OPAs) zu pumpen und deren Ausgänge zur Differenzfrequenzerzeugung (DFG) in einem GaSe-Kristall zu kombinieren. Alles in allem sind das eine Menge nichtlinearer Prozesse, und die Ausgangsstabilität des Verstärkers ist ein wichtiger Schlüssel zu unserem Erfolg.“

Das Ergebnis

Eine kürzlich erschienene Veröffentlichung des Teams von Caviglia veranschaulicht den Erfolg ihres Pump-Probe-Ansatzes. In dieser Studie demonstrierten sie die Kontrolle der magnetischen Anisotropie in zweidimensionalem Van-der-Waals-antiferromagnetischen Nickel-Phosphor-Trisulfid (NiPS3) durch die Anregung von Magnon-Moden. Einige der Datenläufe hier erstreckten sich über Stunden, was durch die Langzeitstabilität des Astrella-Verstärkers und seiner DFG-Konfiguration ermöglicht wurde.