Optische Detektion der magnetischen Resonanz mit modengekoppelten Femtosekunden-Pulsen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau eines neuartigen Spektrometers zur Elektronen-Paramagnetischen Resonanz. Die konventionelle magnetische Resonanz wurde hierbei um eine optisch gepulste Detektion, mittels Titan-Saphir-Femtosekunden-Pulslaser erweitert. Als Proben wurden mit diesem neuen Spektrometer Rubin (gepulste ODEPR in Transmission), bzw. ein Fe/V-Multilayer (gepulste ODFMR in Reflektion) untersucht.

Die Wechselwirkung zwischen optischer Welle und Magnetisierung der Probe wurde durch das Bild der kohärenten Raman-Streuung beschrieben. Während zur optischen Detektion der Bulk-Atome in Rubin der "Magnetisch Zirkulare Dichroismus (MCD) verwendet wurde, kam in Reflektion am genannten Schichtsystem der "Kerr-Effekt" - zur Ankopplung der Magnetisierung an die optische Welle - zum Einsatz. Dieser Effekt eignet sich in zweiter Ordnung auch um Oberflächen zu untersuchen. Zuvor wurden daher eine Reihe von Untersuchungen zum statischen Kerr-Effekt durchgeführt. Der Vergleich zwischen dem linearen und dem quadratischen Kerr-Effekt wurde dann durch Oberflächenfrequenzverdopplung mit Hilfe des Femtosekunden-Pulslasers möglich: Die Erzeugung eines X (2)-Prozesses ist in einem inversionssymmetrischen Medium nicht möglich. Sehrwohl aber an der Oberfläche, da hier die Symmetrie gebrochen wird. Dies erlaubt es, die Magnetisierung auf die Oberfläche (ca. 3-5 Monolagen) zu beschränken. Eine solche niedrige Wechselwirkungszone erfordert zur effizienten Oberwellenerzeugung recht hohe Grundwellen-Pulsintensitäten im Bereich von GW/cm 2. Selbst mit einem leistungsstarken Lasersystem, wie dem Ti:Sa-Pulslaser, lassen sich dann nur Oberwellenleistungen im Bereich einiger hundert Femtowatt erzeugen.

Um die Ergebnisse aus den optischen Messungen mit herkömmlichen Methoden vergleichen zu können, wurde auch die konventionelle ferromagnetische Resonanz mitttels ESR-Spektrometer auf die Fe/V-Probe angewendet. Hierbei zeigten sich bereits wesentliche Unterschiede zur linearen ODFMR. Obwohl noch keine eindeutige, dynamische Oberflächenmagnetisierung abgelichtet werden konnte, deuten doch alle erhaltenen Ergebnisse aus dieser Arbeit darauf hin, dass sich diese Methode zur oberflächensensitiven Untersuchung im atomaren Bereich eignet.