Peter Grünberg Kolloquium: Prof. Dr. Mirko Cinchetti, TU Dortmund, Deutschland

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Kohärente THz-Gitterdynamik, gekoppelt an Spins in einem 2D-Antiferromagneten: Eine kombinierte magneto-optische und ARPES-Studie

Zweidimensionale (2D) Materialien haben ein enormes Interesse in der Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften geweckt, da sie äußerst vielversprechende Kandidaten für zukünftige aufkommende Technologien darstellen. Ein herausragendes Beispiel ist die Nachfrage nach miniaturisierten, ultraschnellen elektronischen Geräten, die derzeit die Elektronikindustrie antreibt, bei der van-der-Waals-Antiferromagneten als intrinsisch magnetisch stabile Systeme mit THz-Dynamik dienen könnten, skalierbar bis zur Monolayer-(2D)-Grenze.

In meinem Vortrag werde ich unsere kürzlichen Studien zu FePS3 diskutieren, das wir als vielversprechenden Van-der-Waals-Antiferromagneten ausgewählt haben, der bis zur 2D-Grenze skaliert werden kann, ohne seine magnetische Ordnung zu verlieren. Wir haben dieses Material mit zwei komplementären experimentellen Methoden untersucht. Zuerst haben wir winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) verwendet, um die elektronische Struktur im Grundzustand zu charakterisieren [1]. Dann haben wir pump-probe magneto-optische Messungen durchgeführt, um die lasergetriebene Gitter- und Spindynamik zu erfassen. Bei Anregung im Resonanzbereich einer d-d-Transition des Fe2+-Multipletts haben wir eine kohärente Phononenschwingung bei 3,2 THz erzeugt. Diese Schwingung kann in einem Regime mit geringer optischer Absorption angeregt werden, das sogar Schäden an einzelnen Antiferromagnetschichten verhindert [2]. Die Amplitude dieser Schwingung nimmt ab, wenn die Probe bis zur Néel-Temperatur erhitzt wird, und verschwindet schließlich, wenn der Phasenübergang zur paramagnetischen Phase erfolgt, wodurch ihre Verbindung zur langreichweitigen magnetischen Ordnung offenbart wird. In Gegenwart eines externen Magnetfelds hybridisiert die optisch ausgelöste 3,2-THz-Phononenschwingung mit einer Magnonenschwingung, die wir genutzt haben, um die hybridisierte Phonon-Magnon-Schwingung optisch anzuregen. Ich werde die ARPES-Daten mit den magneto-optischen Daten vergleichen, um diese Ergebnisse zu rationalisieren, und die Möglichkeit diskutieren, unsere Ergebnisse bis zur zweidimensionalen Grenze zu skalieren.

[1] J.E. Nitschke, et al. Materials Today Electronics 6, 100061(2023) https://doi.org/10.1016/j.mtelec.2023.100061
[2] F. Mertens, et al. Advanced Materials (2023) https://doi.org/10.1002/adma.202208355