Phononkopplung an Spins und Ladungen auf der ultraschnellen Zeitskala im antiferromagnetischen Halbleiter MnTe
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Date
2022
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Abstract
Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein neu installierter Aufbau beschrieben, der die gleichzeitige Durchführung optischer und magneto-optischer Pump-Probe Experimente als Funktion der Temperatur, eines Magnetfeldes oder eines angelegten elektrischen Feldes ermöglicht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird mit optischen Anregungen untersucht, ob eine Kopplung zwischen dem Spinsystem und dem elektronischen System in dem magnetischen Halbleiter α-MnTe existiert. Dazu wird eine 200 nm dicke Schicht α-MnTe mit verschiedenen experimentellen Methoden vermessen. Die Bandlücke von α-MnTe ist um einen zusätzlichen Beitrag in der antiferromagnetischen Phase blauverschoben, welcher proportional mit der Untergittermagnetisierung skaliert. Diese statische Kopplung zwischen der Bandlücke und dem Spinsystem wird erfolgreich in unserer Probe reproduziert. Darauf aufbauend wird die Dynamik der Bandlücke unter Verwendung des Pump-Probe Verfahrens untersucht. Die transiente Reflektivität zeigt, dass die Bandlücke durch das optisch aktive α-Phonon kohärent moduliert wird. Im finalen Schritt wird die Bandlücke kohärent angeregt und die Antwort des Spinsystems, die Rotation der Polarisation, detektiert. Diese ist ebenfalls durch das α-Phonon kohärent moduliert und zeigt einen zusätzlichen inkohärenten Beitrag in der antiferromagnetischen Phase, welcher eindeutig auf die magnetische Ordnung zurückzuführen ist. Die Zerfallszeit dieses Beitrags entspricht der der Zeitskala der Untergitterdemagnetisierung. Somit konnte in dieser Arbeit eine phonongestützte Kopplung zwischen dem elektronischen System und dem Spinsystem in α-MnTe gezeigt werden.
In the first part of this thesis, a newly constructed set-up is described that allows simultaneous optical and magneto-optical pump-probe experiments to be performed as a function of temperature, magnetic field or an applied electric field. In the second part of this work, optical methods are used to investigate whether a coupling exists between the spin system and the electronic system in the magnetic semiconductor α-MnTe. For this purpose, a 200 nm thick layer of α-MnTe is measured with different experimental methods. The band gap of α-MnTe experiences an additional blue shift in the antiferromagnetic phase, which scales proportionally with the sublattice magnetisation. This static coupling between the band gap and the spin system is successfully reproduced in our sample. Based on this, the dynamics of the band gap is investigated using the pump-probe method. The transient reflectivity shows that the band gap is coherently modulated by optical active α-phonons. In the final step, the band gap is coherently excited and the response of the spin system, the rotation of the polarisation, is detected. Again the rotation of polarisation is coherently modulated by the α-phonon and shows an additional incoherent contribution in the antiferromagnetic phase, which is ascribed to the magnetic order. The decay time of this contribution corresponds to the time scale of the sublattice demagnetisation. Thus, a phonon-assisted coupling between the electronic system and the spin system on the femtosecond timescale in α-MnTe has been demonstrated in this work.
In the first part of this thesis, a newly constructed set-up is described that allows simultaneous optical and magneto-optical pump-probe experiments to be performed as a function of temperature, magnetic field or an applied electric field. In the second part of this work, optical methods are used to investigate whether a coupling exists between the spin system and the electronic system in the magnetic semiconductor α-MnTe. For this purpose, a 200 nm thick layer of α-MnTe is measured with different experimental methods. The band gap of α-MnTe experiences an additional blue shift in the antiferromagnetic phase, which scales proportionally with the sublattice magnetisation. This static coupling between the band gap and the spin system is successfully reproduced in our sample. Based on this, the dynamics of the band gap is investigated using the pump-probe method. The transient reflectivity shows that the band gap is coherently modulated by optical active α-phonons. In the final step, the band gap is coherently excited and the response of the spin system, the rotation of the polarisation, is detected. Again the rotation of polarisation is coherently modulated by the α-phonon and shows an additional incoherent contribution in the antiferromagnetic phase, which is ascribed to the magnetic order. The decay time of this contribution corresponds to the time scale of the sublattice demagnetisation. Thus, a phonon-assisted coupling between the electronic system and the spin system on the femtosecond timescale in α-MnTe has been demonstrated in this work.
Description
Table of contents
Keywords
Antiferromagnetismus, Halbleiter, Optische Physik, Ultraschnell, Spindynamik, MnTe