Ultraschnelle Relaxationsdynamik über Phononen-Wechselwirkungen in Festkörpersystemen

Abstract

Zu den elementaren Anregungen in Festkörpern gehören Gitterschwingungen oder lektronische Anregungen. Die Wechselwirkungsprozesse zwischen diesen unterschiedlichen Freiheitsgraden spielen in vielen dynamischen Prozessen eine wichtige Rolle. Ein Beispiel dafür ist der thermische und elektrische Widerstand. Streuprozesse zwischen angeregten Elektronen untereinander bzw. mit Phononen bestimmen u.a. die Energie-Relaxation nach einer Anregung, d.h. sie bestimmen wie die Anregungsenergie dissipiert wird, das System thermalisiert und wieder in den Grundzustand relaxiert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Wechselwirkungsprozesse zwischen fundamentalen Energie-Freiheitsgraden an unterschiedlichen Systemen betrachtet. Der Schwerpunkt liegt dabei auf niederenergetischen Anregungen von Phononen, Elektronen und Exzitonen. Das erste untersuchte System ist α-Quarz. Aufgrund der großen Bandlücke in α-Quarz spielen im Bereich sichtbarer Frequenzen elektronische Anregungen keine Rolle. Nach optischer Anregung können mit transienter Transmissions- und Reflexions-Spektroskopie kohärente Phononen in α-Quarz schwingungsaufgelöst im Zeit-Bereich untersucht und der Zerfall der Anregung durch Streuprozesse beobachtet werden. Anhand von fluenz- und temperaturabhängigen Messungen ist es möglich, die anharmonische Phonon- Phonon-Wechselwirkung als den dominanten Zerfallskanal der kohärenten Phononen zu identifizieren, wobei die angeregten kohärenten Phononen hauptsächlich durch einen stark asymmetrischen Drei-Phononen-Streuprozess unter Emission eines niederenergetischen akustischen Phonons zerfallen. Weitere Systeme, an denen die Wechselwirkung von Phononen mit dem restlichen Kristallgitter untersucht wird, sind die beiden Kohlenstoff-basierten Festkörper Graphit (Halbmetall) und Kohlenstoff-Nanoröhren (Halbleiter). Hierbei kommt zeitaufgelöste THz-Spektroskopie zum Einsatz. Sowohl Graphit wie auch Kohlenstoff-Nanoröhren weisen eine besonders starke Kopplung zwischen Elektronen und den optischen Phononen-Moden E2g am Γ- bzw. A’1 am K-Punkt auf. Nach optischer Anregung führt diese Wechselwirkung zu einer starken Nicht- Gleichgewichtsverteilung der Phononen. Es wird gezeigt, dass die Energie- Relaxation der angeregten optischen Phononen auch hier über einen stark asymmetrischen Drei-Phononen-Streuprozess unter Emission eines niederenergetischen akustischen Phonons stattfindet. Dieser Zerfallskanal ist nur für die A’1-Phononen am K-Punkt möglich, was den Schluss nahe legt, dass diese hauptsächlich zur Energie-Relaxation des Systems beitragen. Die im Rahmen dieser Doktorarbeit eingesetzten spektroskopischen Methoden sind zeitaufgelöste Methoden. Um zeitaufgelöste Signale möglichst rauscharm zu messen empfiehlt es, sich die relative zeitliche Verzögerung zwischen Anregungs- und Abtastpuls schnell zu variieren und erst nachfolgend die einzelnen Scans zu mitteln. Dieses bisher nur für MHz-Lasersysteme bekannte Verfahren wurde im Lauf der Doktorarbeit für kHz-Lasersysteme weiterentwickelt, ebenso wie die Erweiterung eines Algorithmus zur Fourier- Transformation nicht-äquidistant abgetasteter Signale. Diese technische Weiterentwicklung erlaubt eine quasi Echtzeit-Analyse der Messsignale und ermöglicht damit eine effiziente Optimierung des Experiments, wie z.B. Pulsformung im THz-Bereich. Das neue Potential des experimentellen Aufbaus konnten in einer Kooperation mit der Arbeitsgruppe von R. Huber (Universität Konstanz) demonstriert werden. Mit optimal geformten THz-Anregungspulsen bei Spitzenfeldstärken von bis zu 0.5 MV/cm konnte eine nicht-lineare kohärente Manipulation der Population optisch dunkler, intraexzitonischer 1spara-2p Zustände in Cu2O gezeigt werden. Theoretische Berechnungen der Arbeitsgruppe von S. Koch (Universität Marburg) zeigen, dass ein kohärenter Populationstransfer mit einer Effizienz von bis zu 80% induziert werden konnte und deuten auf eine klare Signatur interner Rabi-Oszillationen hin. Mit diesen Messungen konnten erste Hinweise für eine erfolgreiche quanten-optische Manipulation der Exzitonen-Population demonstriert werden.

Lattice vibrations and electronic excitations belong to the elementary excitation of a solid. Coupling between these degrees of freedom is important for many dynamical processes as for example thermal or electric resistivity. Scattering processes among excited electrons or between electrons and phonons determine the energy-relaxation after optical excitation, how the excitation energy is dissipated, and how the system thermalises and finally relaxes to the ground state. Within the framework of this thesis three different solid state systems are examined with a focus on low-energy excitations of phonons, electrons and excitons. The first system is an isolator, α-Quartz. Because of its high bandgap electronic excitations can be completely neglected within the visible range. Transient transmission- and reflection-spectroscopy permits to probe coherent optical phonons in α-Quartz after optical excitation directly in time-space. With fluence- and temperature dependent measurements it was possible to identify the dominant decay channels, namely anharmonic phonon- phonon scattering accompanied by the emission of low-energy acoustic phonons. Other systems where the interactions of excited phonons with rest of the crystal have been studied are the two carbon-based solids Graphite (semi- metal) and carbon nanotubes (semi-conductor). Here time-resolved THz- spectroscopy has been used. Graphite as well as carbon nanotubes show strong coupling between electrons and the two optical phonon modes E2g and A'1 at the Γ- and K-point respectively. After optical excitation of the electrons this coupling leads to a strong non-equilibrium distribution of the phonons. Within this thesis it could be shown that these excited optical phonons dominantly decay via anharmonic phonon-phonon scattering with the emission of low-energy acoustic phonons. This decay channel is only possible for the A'1 phonons at the K-point suggesting that mainly these phonons contribute to the energy relaxation of the system. The spectroscopic methods used in this thesis are time-resolved. In this context fast waveform scanning is the best choice for low-noise detection of pump-probe signals since low-frequency correlated noise such as delay drifts or fluctuation of the laser power can be efficiently rejected before averaging. This technique was hitherto only used for MHz system. The further development and technical implementation of this method for amplified kHz-laser systems will be presented in this thesis along with an extension of a Fourier-transformation algorithm capable of dealing with non- equidistant sampled signals. The fast delay scanning permits quasi real-time data analysis with which it is possible to implement efficient optimization procedures such as pulse-shaping in the THz-regime. The potential of this new feature in the experimental setup could be demonstrated in cooperation with the group of R. Huber (University of Konstanz). Optimally shaped THz-pump pulses with a peak electric field of 0.5 MV/cm were used to excite the dark intra-excitonic transition 1spara-2p in Cu2O. Theoretical calculation show that it is possible to drive a coherent population transfer from the 1s to 2p orbitals with an efficiency of up to 80% and with fingerprints of internal Rabi-oscillations.