Promotionsvortrag von Fabian Mertens

2D-Materialien, wie der in dieser Arbeit untersuchte antiferromagnetische van der Waals Halbleiter FePS3, können, aufgrund der einzigartigen Wechselwirkung ihrer Magnetisierung mit elektronischen, optischen oder mechanischen Eigenschaften, neue technologische Möglichkeiten bieten. Vorallem bieten sie aber auch eine Möglichkeit, Magnetismus und magnetische Dynamiken in reduzierten Dimensionen zu untersuchen. Trotzdem gibt es bis heute kaum Studien zur kohärenten Kontrolle der Magnetisierung solcher Materialien. Die Herangehensweise unserer Forschung zu dieser Lücke beruht auf der Verwendung ultrakurzer Lichtpulse. Hierbei können zeitaufgelöste Messungen Einblicke in die lichtinduzierten Dynamiken ermöglichen, wofür ein spezialisiertes Experiment notwendig ist. In dieser Arbeit stellen wir eine Studie zur Entwicklung und Anwendung eines Laseraufbaus für magnetooptische Experimente vor, das an die Untersuchung mikroskopischer Proben angepasst werden kann. Das System verwendet zwei optische parametrische Verstärker mit einstellbaren Photonenenergien zwischen 0,5 eV- 3,5 eV sowohl für den Pump- als auch für den Probe-Strahl. Die Pump-Pulse werden mit hoher Frequenz durch einen elektrooptischen Modulator, der jeden zweiten Pump-Puls blockiert, moduliert. Zusammen mit einem hochfrequenten Digitalisierer, der einzelne Pulse aufnehmen kann, erreichen wir so eine Genauigkeit von 50 µ in der Detektion der Rotation der Probe-Polarisation. Der Aufbau kann Magnetfelder von bis zu +-9 T und Spannungen im kV-Bereich anlegen. Zusätzlich bietet er eine Temperaturregulierung zwischen 4 K und 420 K. Die Funktionalität der einzelne Systeme innerhalb des Aufbaus werden durch Messungen der statischen Kerr-Rotation und der ultraschnellen Demagnetisierung in einem Kobalt-Einkristall erprobt und die Abhängigkeiten der wichtigsten experimentellen Parameter werden demonstriert. Der Hauptteil der Arbeit liegt in der Untersuchung einer kohärenten Schwingungsmode mit THz Frequenz, die durch femtosekunden Laserpulse in FePS3 angeregt wird. Dieses 3,2 THz Phonon ist eng mit der antiferromagntischen Ordnung verbunden, indem es oberhalb der Néel-Temperature verschwindet und bei angelgetem Magnetfeld eine Hybridisierung mit einer Magnon-Mode aufweist. Die optische Anregung eines kristallfeldaufgespaltenen d-d-Übergangs pumpt effizient den Anregungsprozess der Phononmode, während der magnetische Linearedichroismus als der dominierende, von dem Phonon modulierte, magneto-optische Effekt identifiziert wird. Durch das Anlegen von Feldern von bis zu 9 T können wir die hybridiserite Phonon-Magnon Mode anregen und somit kohärente Spindynamiken erzeugen. Wir untersuchen die Phononmode sowohl in einem makroskopischen FePS3 Kristall, als auch in einer exfolierten Flake-Probe mit einer Dicke von 380 nm.

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