Femtosecond X-ray scattering in condensed matter
Creators: name: Schmising, Clemens Von Korff
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2008
Subjects: subject: Ferromagnetismus
subject: Röntgenbeugung
subject: Femtosekunden
subject: Ferroelektriztät
subject: Femtosecond
subject: X-ray Diffraction
subject: Ferroelectricity
subject: Ferromagnetism
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie

description: Diese Arbeit untersucht die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen elektronischen und strukturellen Eigenschaften in Perovskit-Oxiden und in einem molekularen Kristall. Optische Anregung mit ultrakurzen Lichtimpulsen verändert die elektronische Struktur und die Dynamik der damit verbundenen reversiblen Gitterveränderung wird mit zeitaufgelöster Femtosekunden Röntgenbeugung direkt aufgezeichnet. Eine Nanostruktur aus metallischen und ferromagnetischen Strontium Ruthenat (SRO) und dielektrischen Strontium Titanat Schichten dient als Modellsystem, um optisch induzierten Druck auf einer subpikosekunden Zeitskala zu untersuchen. In der ferromagnetischen Phase zeigen phononischer und magnetostriktiver Druck eine vergleichbare ultraschnelle Dynamik und eine ähnliche Größe unterschiedlichen Vorzeichens. Die Amplitude des magnetischen Drucks folgt dem Quadrat der temperaturabhängigen Magnetisierung. In einem weiteren Doppelschichtsystem komprimiert der sich ultraschnell aufbauende phononische Druck in SRO benachbarte ferroelektrische Blei Zirkonat Titanat Schichten. Dies reduziert die tetragonale Verzerrung von bis zu 2 Prozent innerhalb 1.5 Pikosekunden und koppelt an die ferroelektrische "weiche Mode", beziehungsweise an die Ionenverschiebung innerhalb der Einheitszelle. Damit verbunden wird die makroskopische Polarisation bis zu 100 Prozent reduziert; aufgrund der Anharmonizität der Kopplung mit einer Verzögerung von 500 Femtosekunden. Femtosekunden Photoanregung von Chromophoren in einem molekularen Kristall induziert eine Änderung des Diopolmomentes durch intramolekularen Ladungstransfer. Die Änderung der gestreuten Röntgenintensität weist auf eine Molekül-Rotationsbewegung in der Umgebung angeregte Dipole hin, welche der 10 Pikosekunden Dynamik des Ladungstransfer folgt. Die transienten Röntgenstreusignale werden vollständig von der kollektiven Solvatation bestimmt und verdecken lokale, intramolekulare Strukturänderungen.
description: This thesis investigates the manifold couplings between electronic and structural properties in crystalline Perovskite oxides and a polar molecular crystal. Ultrashort optical excitation changes the electronic structure and the dynamics of the connected reversible lattice rearrangement is imaged in real time by femtosecond X-ray scattering experiments. An epitaxially grown superlattice consisting of alternating nanolayers of metallic and ferromagnetic strontium ruthenate (SRO) and dielectric strontium titanate serves as a model system to study optically generated stress. In the ferromagnetic phase, phonon-mediated and magnetostrictive stress in SRO display similar sub-picosecond dynamics, similar strengths but opposite sign and different excitation spectra. The amplitude of the magnetic component follows the temperature dependent magnetization square, whereas the strength of phononic stress is determined by the amount of deposited energy only. The ultrafast, phonon-mediated stress in SRO compresses ferroelectric nanolayers of lead zirconate titanate in a further superlattice system. This change of tetragonal distortion of the ferroelectric layer reaches up to 2 percent within 1.5 picoseconds and couples to the ferroelectric soft mode, or ion displacement within the unit cell. As a result, the macroscopic polarization is reduced by up to 100 percent with a 500 femtosecond delay that is due to final elongation time of the two anharmonically coupled modes. Femtosecond photoexcitation of organic chromophores in a molecular, polar crystal induces strong changes of the electronic dipole moment via intramolecular charge transfer. Ultrafast changes of transmitted X-ray intensity evidence an angular rotation of molecules around excited dipoles following the 10 picosecond kinetics of the charge transfer reaction. Transient X-ray scattering is governed by solvation, masking changes of the chromophore''s molecular structure.