Herausforderung

Fortschrittliche zweidimensionale Materialien, wie komplexe Oxid-Heterostrukturen und Van-der-Waals-Kristalle (mehrschichtige Sandwichstrukturen aus zweidimensionalen Materialien), sind neuartige, vielversprechende Werkstoffe für Magnetspeicher, Solarzellen und andere photonische Anwendungen. Professor Andrea Caviglia vom Kavli-Institut für Nanowissenschaften an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden leitet ein Team, das wichtige Grundlagenforschung zur ultraschnellen Dynamik verschiedener Klassen von zweidimensionalen Materialien betreibt. Er sagt: „Eines unserer Ziele ist es, zu verstehen, wie sich vorübergehende Strukturänderungen der Materialien auf die magnetischen Eigenschaften im Subpikosekunden-Zeitbereich auswirken. Dazu benötigen wir eine Methode, um reine Proben der einzelnen Schichten herzustellen, um dann zu versuchen, niederfrequente Phononenmoden anzuregen und die Ergebnisse zu beobachten.“

Lösung

Mit dem Coherent LPX Pro 248-nm-Excimerlaser für die Pulslaserabscheidung (PLD) lassen sich stöchiometrische Dünnschichten aus komplexen Materialien herstellen, wodurch die Herstellung von Dünnschichtproben ermöglicht wird.

Die Analyse der ultraschnellen Dynamik ist technisch sehr anspruchsvoll, da bei der Pump-Probe-Methode abstimmbares Licht im mittleren Infrarotbereich als Pumpimpuls benötigt wird, um die Schwingungen bestimmter Phononen selektiv anzuregen. Anschließend werden die durch den Pumpimpuls induzierten dynamischen Eigenschaften gemessen, indem die zeitliche Verzögerung der mitlaufenden Nahinfrarot-Detektionsimpulse mit einer Photonenenergie von 1,55 eV (d. h. 800 nm) sowie die Drehung der Polarisationsebene θ verfolgt werden. Caviglia erklärt: „Wir müssen Impulse im mittleren Infrarotbereich mit hoher Intensität erzeugen, die einem elektrischen Feld im MV/cm-Bereich entsprechen und eine hohe Stabilität erfordern. Wir verwenden Astrella Coherent Astrella (OPA) Astrella , und kombinieren deren Ausgangssignale in einem GaSe-Kristall, um eine Differenzfrequenz (DFG) zu erzeugen und so diese Impulse zu erhalten. Insgesamt sind hier viele nichtlineare Prozesse im Spiel, daher ist die Ausgangsstabilität des Verstärkers der Schlüssel zu unserem Erfolg.“

Ergebnis

Ein kürzlich veröffentlichter Artikel der Caviglia-Gruppe belegtden Erfolg ihres Pump-Probe-Verfahrens. In dieser Studie zeigen sie, wie sich die magnetische Anisotropie im zweidimensionalen van-der-Waals-Antiferromagneten NiPS₃ durch Anregung der Spinonen der Probe steuern lässt. Dank der langfristigen Stabilität Astrella DFG-Konfiguration konnten einige dieser Datenaufnahmen über mehrere Stunden hinweg durchgeführt werden.