Towards more efficient and specific driving and probing of coherent phonon dynamics in solids

Autor: Boie, Larissa
Přispěvatelé: Johnson, Steven L., Staub, Urs, Trigo, Mariano
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
DOI: 10.3929/ethz-b-000584885
Popis: Ultrafast spectroscopy is a powerful tool to study materials and their microscopic interactions in non-equilibrium states. With ultrafast methods, it is possible to reveal how electrons and atoms move and interact on very short timescales. Revealing the underlying mechanisms helps to understand how macroscopic phases form, which interaction channels are available and how to control materials with external stimuli to design specific properties. Depending on the type of interaction, the excitation energy for efficient coupling between the material and an external electric field comes from very different regions of the electro-magnetic spectrum. Nowadays, from x-rays to microwaves, powerful sources for most spectral ranges have been developed. They even cover the range from 0.3 THz to 30 THz (commonly referred to as the Terahertz gap), where the interaction of phonons – modes of lattice vibrations – with an external electric field can be studied directly. This has been difficult historically because this is the part of the spectrum where the radiation changes from electronic to photonic treatment. These sources are applied either as the pump or the probe pulse in an ultrafast pump–probe experiment. Inventions like the quantum cascade laser, the use of photoconducting antennas or the process of optical rectification in suitable nonlinear crystals now lead to sources of low frequencies. Pushing the development of sources in the meV energy range to higher stability, higher powers, and table-top setups to enhance possible excitation schemes for more advanced material control is still an ongoing challenge. Furthermore, the need for narrowband sources (the counterpart of the established broadband sources) has grown, enabling elaborate pump–probe schemes while minimizing energy losses. With narrowband sources, it is possible to study specific vibrations in solids and gases with high energy specificity. This work focuses on the excitation and detection of coherent phonons on ultrafast timescales. The need for high pulse intensities to excite phonons efficiently into a nonlinear regime calls for new pump and probe schemes. I refine two aspects of the recent developments: In the first part, I present the characterisation of a new high-power narrowband source in the far- to mid-infrared spectral regime. The narrowband characteristic is achieved by chirping two infrared (IR) pulses used in a difference frequency generation (DFG) process. Varying the applied amount of chirp in each IR beam allows for sensitive tuning of the frequency sweep over the duration of the mid-IR pulse. This opens up new excitation schemes, e.g. with the concept of capture into resonance. A flexible table-top setup with tunable center frequency and chirp will enhance the efficiency of phonon driving, making nonlinear excitation regimes accessible. With the extensive characterisation of the setup constructed during my thesis project we can tune the electric field properties precisely and identify the maximum tuning range and pulse parameters. This became possible by a comprehensive study on the influence of certain parameters on the amount of chirp of the obtained mid-IR pulse and by modelling the electric field with large qualitative agreement. In addition to the development of new pulsed sources, the capabilities of structure-sensitive probes have increased significantly, driven by the improvement of x-ray free electron lasers (XFELs). Reduced temporal jitter and enhanced brightness allow for detailed analysis even in complex materials, where vibrational signatures can be small. Sophisticated data treatment and advanced experimental techniques have enabled an increased understanding on electron–phonon coupling in complex materials. The second part investigates ultrafast x-ray diffraction in a prototypical quasi-1D charge-density-wave (CDW) material, the blue bronze K0.3MoO3. With x-rays as a structure-sensitive probe, we are able to distinguish atoms involved in the excitation of specific phonon modes. With the aid of a simulation for the structure factors of individually distorted atoms in the crystal structure, we can decompose the atomic motion associated with CDW phonon modes for the first time: An amplitude mode at 1.68 THz is directed mostly along the y axis, and a 2.5 THz phonon mode has its main contribution along the z axis. This analysis can help towards the understanding of electron–phonon coupling mechanisms, especially for materials with larger unit cells, where calculations are currently still infeasible.
Ultrakurzzeitspektroskopie ist eine leistungsfähige Methode zur Untersuchung von Materialien und ihren mikroskopischen Wechselwirkungen in Nichtgleichgewichtszuständen. Mit ultraschnellen Methoden lässt sich untersuchen, wie sich Elektronen und Atome auf sehr kurzen Zeitskalen bewegen und miteinander wechselwirken. Die zugrundeliegenden Prozesse zu verstehen, hilft zu beschreiben, wie sich makroskopische Phasen bilden, welche Wechselwirkungspfade zur Verfügung stehen, und wie Materialien designt werden können, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Je nach Art der Wechselwirkung stammt die Anregungsenergie für eine effiziente Kopplung zwischen dem Material und einem externen elektrischen Feld aus sehr unterschiedlichen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums. Heutzutage sind für die meisten Spektralbereiche, von Röntgenstrahlung bis hin zu Mikrowellen, leistungsfähige Quellen entwickelt worden. Sogar der Bereich von 0.3 bis 30 THz (im Allgemeinen als “Terahertz-Lücke” bezeichnet), in dem die direkte Wechselwirkung von Phononen – Moden von Gitterschwingungen – mit externen elektrischen Feldern untersucht werden kann, ist mittlerweile zugänglich. Dies war in der Vergangenheit schwierig, weil dies der Teil des Spektrums ist, in dem die Strahlung von elektronischer zu photonischer Charakteristik übergeht. Diese Quellen werden entweder als “Pump”- oder als “Probe”-Puls in einem ultraschnellen Pump–Probe-Experiment eingesetzt. Erfindungen wie der Quantenkaskadenlaser, die Verwendung von photoleitenden Antennen oder der Prozess der optischen Gleichrichtung in geeigneten nichtlinearen Kristallen führen nun zu Quellen mit niedrigen Frequenzen. Die Entwicklung von Strahlungsquellen im meV-Energiebereich mit höherer Stabilität, höheren Leistungen und einfachen Laboraufbauten zur Verbesserung möglicher Anregungsschemata für eine erweiterte Materialkontrolle ist nach wie vor eine ständige Herausforderung. Darüber hinaus ist der Bedarf an Schmalbandquellen (als Gegenstück zu den etablierten Breitbandquellen), die ausgeklügelte Pump–Probe-Techniken bei gleichzeitiger Minimierung von Energieverlusten ermöglichen, gestiegen. Mit Schmalbandquellen ist es möglich, spezifische Schwingungen in Festkörpern und Gasen mit hoher Energiespezifität zu untersuchen. Diese Arbeit behandelt die Anregung und den Nachweis von kohärenten Phononen auf ultrakurzen Zeitskalen. Die Notwendigkeit hoher Pulsintensitäten, um Phononen effizient in einen nichtlinearen Bereich anzuregen, erfordert neue Pump- und Probe-Techniken. Ich entwickle zwei Aspekte der jüngsten Entwicklungen weiter: Im ersten Teil stelle ich die Charakterisierung einer leistungsstarken Schmalbandquelle im mittleren Infrarotbereich (mid-IR) vor. Die Schmalbandcharakteristik wird durch “Chirpen” (zeitliche Frequenzverschiebung innerhalb eines Pulses) zweier IR-Pulse in einem Differenzfrequenzerzeugungsprozess (DFG) erreicht. Die resultierende Strahlung liegt hierbei im mid-IR-Bereich. Durch Variation des Chirp-Anteils in jedem IR-Puls lässt sich die Frequenzverschiebung über die Dauer des mid-IR-Pulses feinmaschig einstellen, was neue Anregungsschemata eröffnet, z.B. mit dem Konzept des “Einfangens in Resonanz”. Dieser flexible Laboraufbau mit variabler Zentralfrequenz und Chirp kann die Anregungseffizienz von Phononen verbessern und nichtlinear Anregungsregime zugänglich machen. Mit dieser umfassenden Charakterisierung des im Rahmen dieser Arbeit konstruierten Aufbaus ist es uns gelungen, die Eigenschaften des elektrischen Feldes präzise abzustimmen und den maximalen Durchstimmbereich und die Pulseigenschaften zu ermitteln. Wir konnten nicht nur zeigen, wie bestimmte experimentelle Parameter den Chirp des erhaltenen mid-IR-Pulses beeinflussen, sondern waren auch in der Lage, das elektrische Feld mit grosser qualitativer Übereinstimmung zu simulieren, was eine genaue Vorhersage des erwarteten elektrischen Felds ermöglicht. Neben der Entwicklung neuer gepulster Quellen hat sich auch die Leistungfähigkeit von Detektionspulsen für die Strukturanalyse deutlich erhöht, was auf die Weiterentwicklung der Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) zurückzuführen ist. Eine höhere zeitliche Auflösung und eine verbesserte Lichtstärke ermöglichen eine detaillierte Analyse selbst komplexer Materialien, bei denen die Schwingungssignaturen gering sein können. Verbesserte Datenverarbeitung und fortschrittliche experimentelle Techniken haben das Wissen über die Elektron-Phonon-Kopplung in komplexen Materialien erheblich erweitert. Im zweiten Teil untersucht die ultraschnelle Röntgenbeugung an einem prototypischen Quasi-1D-Ladungsdichtewellen-Material (CDW), der blauen Bronze K0.3MoO3. Mit dieser Methode sind wir in der Lage, Atome zu unterscheiden, die an der Anregung bestimmter Phononenmoden beteiligt sind. Mit Hilfe einer Simulation für die Strukturfaktoren einzelner verschobener Atome in der Kristallstuktur können wir erstmals die mit CDW-Phononmoden verbundene Atombewegung aufschlüsseln: Eine Amplitudenmode ist hauptsächlich entlang der y-Achse gerichtet, und eine 2.5 THz-Mode hat ihren Hauptbeitrag entlang der z-Achse. Diese Analyse kann dazu beitragen, die Mechanismen von Elektron–Phonon-Kopplung besser zu verstehen, insbesondere bei Materialien mit grösseren Einheitszellen, bei denen Modellierungen derzeit noch nicht durchführbar sind.
Databáze: OpenAIRE
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