Promotionsvortrag von Michal Kobecki

Ziel dieser Arbeit ist es, eine bessere Kontrolle über die rein optische Anregung und den Nachweis von hochfrequenten kollektiven Anregungen, insbesondere Phononen und Magnonen, zu erlangen. Phononen - eine kollektive Bewegung von Atomen im Kristallgitter - und Magnonen - Anregungen eines Spinsystems in magnetisch geordneten Materialien - sind in letzter Zeit zu einer vielversprechenden Alternative zu Elektronen im Quantencomputing oder allgemeiner in der Informatatik/Informationsverarbeitung geworden. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartiger Ansatz zur resonanten Anregung der fundamentalen Magnon-Mode in einem dünnen ferromagnetischen Film aus einer Eisen-Gallium-Legierung, sowie eine verbesserte Nachweisempfindlichkeit von sich ausbreitenden kohärenten Phononenwellenpaketen unter Ausnutzung der gigantischen Photoelastizität von Exziton-Polaritonen im GaAs/AlAs-Übergitter, präsentiert. Darüber hinaus wird eine Möglichkeit zur Miniaturisierung rein optischer Aufbauten zur Manipulation kollektiver Anregungen durch den Einsatz einer passiv modengekoppelten Halbleiterlaserdiode vorgestellt. Die zeitaufgelösten Messungen, zur Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit für kohärente Phononen, wurden mit einem Standard-Pump-Probe-Aufbau mit einer mechanischen Verzögerungsstrecke durchgeführtDas kohärente Phononenwellenpaket wurde in der Al-Schicht auf der Rückseite der Probe erzeugt und breitete sich dann in Richtung des Übergitters auf der Vorderseite aus. Die Energie des Abtaststrahls (Probe) wurde auf die Exzitonenresonanz des Übergitters abgestimmt. Das erhaltene Time Domain Brillouin Signal wurde in Hinblick auf die gigantische Photoelastizität der Exziton-Polaritonen untersucht. (oder: Das erhaltene Time Domain Brillouin Signal zeigt die gigantische Photoelastizität der Exziton-Polaritonen.) Die Signale zeigen eine um drei Größenordnungen gesteigerte Nachweisempfindlichkeit im Vergleich zu Standarduntersuchungen abseits der Exzitonresonanz. Die erzielten Ergebnisse ebnen den Weg für eine Quantengenaue Empfindlichkeit der kohärenten Phononendetektion. Die resonante Anregung sowie der Nachweis der fundamentalen Magnon-Mode im ferromagnetischen Film, wurde mit der Methode der asynchronen optischen Abtastung durchgeführt. Die Probe wurde bei Raumtemperatur in ein äußeres Magnetfeld gebracht. Es wird gezeigt, dass durch eine Abstimmung des Magnetfelds und eine Anpassung der Magnonenfrequenz an die 10-GHz-Anregungswiederholrate des Lasers, eine 12-fache Steigerung der Amplitude der Magnetisierungspräzession erreicht werden kann. Dies wird durch den magneto-optischen Kerr-Effekt nachgewiesen. Das demonstrierte Prinzip hat ein Anwednungspotential für verschiedenen, im GHz-Frequenzbereich arbeitende, Nanobauteile. Als Machbarkeitsdemonstration wurde mittels einer passiv modengekoppelten Halbleiterlaserdiode, Pump-Probe-Experimente zur Anregung und zum Nachweis von Phononenechos in dünnen Aluminiumschichten bei Raumtemperatur durchgeführt. Dies könnte der erste Schritt in Richtung einer Realisierung rein optischer Pump-Probe-Aufbauten außerhalb des Laborsmaßstabs sein.

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