Femtosekunden Lasersystem mit regenerativem Verstärker
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit der Ultrakurzzeitphysik lassen sich neue Blickwinkel und grundlegende Fragestellungen neu erschließen – damit sind elementare Mechanismen auf der Femto (10^-15) und Piko (10^-12) Sekundenskala zugänglich. Zugleich erlauben neue Bauelemente der Spintronik, zum Beispiel magnetische Tunnelelemente, durch zwei ferromagnetische metallische Schichten getrennt durch eine Tunnelbarriere (elektrischer Isolator), eine besondere Kontrolle der Ströme durch Schalten der Magnetisierung von parallel zu antiparallel. In diesem Rahmen untersuchen wir die Spintronik in Spinsystemen auf ultrakurzen Zeitskalen. Ultraschnelles Schalten von Festplatten mit Licht: Große Datenmengen werden auf Festplatten in magnetischen nanostrukturieren FePt Körnern mit 3-6 nm Durchmesser gespeichert. Im Rahmen des Projektes des Postdoktoranden Dr. Robin John, in Zusammenarbeit HGST Westen Digital, San Jose, USA, und Prof. Jeffrey McCord, Universität Kiel, haben wir gezeigt wie man mit zirkular polarisierten Femtosekunden Lichtpulsen das Schalten der Magnetisierung von Festplattendatenträgermaterialien kontrolliert durch die Laserpulspolarisation, im „Single Shot“ bis zu unendlicher Wiederholrate. Wichtig war hier auch die intensive Zusammenarbeit mit theoretischen Gruppen, die Zusammenarbeit mit Prof. Peter Oppeneer, Universität Uppsala, Schweden, der Gruppe von Prof. Ulrich Nowak, Universität Konstanz, und Prof. Oksana Chubykalo-Fesenko ICMM Madrid, sodass die Experimente zum ersten Mal ein quantitatives Verständnis des Effektes erlaubten. Die Möglichkeit des Arbeiten mit der Infrarotbereich Option mit dem Lasersystem (OPA Einheit), erlaubte dabei auch theoretische Vorhersagen zu effizientem Schalten bei kleinen Photonenenergien zu prüfen. Spinströme und Spindynamik in Topologischen Isolatoren: Untersuchungen von elektronischen Prozessen auf ultrakurzen Zeitskalen in Topologischen Isolatoren werden finanziert durch das DFG Schwerpunktprogramm 1666 „Topological Insulators: Materials – Fundamental Properties – Devices“. Topologische Isolatoren sind spannende neuartige Materialien, die an der Oberfläche elektrische Leiter sind, im Inneren jedoch Isolatoren sind. Im Sommer 2015 haben wir im Rahmen des DAAD Austauschprogramms PPP-Tschechien „FemtomagTopo“ mit Dr. Eva Schmoranzerova und Dagmar Butchikova das Femtosekundenlasersystem in Betrieb genommen, und ein Pump-Probe Experiment für Topologische Isolatoren entwickelt um ultraschnelle Spinströme zu identifizieren. Im letzten Jahr haben wir den Fokus in dem Projekt auf die Ferromagnet/Topologischer Isolator Grenzfläche gelegt. Diese Ergebnisse fließen ein in die Dissertation von Herrn Thomas Schumann. Zur Zeit liegt der Fokus hier auf der Generation und Absorption von THz Strahlung mit dem Lasersystem, in Kombination mit einem kommerziellen THz Spektrometer. Magnonik: Im Rahmen des im Feb. 2016 abgeschlossenen DFG-Projekt zur Entwicklung von neuartigen, magnonischen Strukturen hat Frau Maria Mansurova in der Gruppe Münzenberg ihre Doktorarbeit abgeschlossen. Im Rahmen dieses Projektes fand im Jahr 2017-2018 ein einjähriger Gastaufenthalt von Prof. Jaroslaw Klos, Adam Mickiewicz Universität Poznan, Polen statt, finanziert durch das Alfried-Krupp Kolleg Fellowshipprogamm für einen Forschungsaufenthalt in der Gruppe Münzenberg. Er ist führender Experte im Bereich der Berechnung von magnonischen Kristallen und es wurden gemeinsam magnonische Kristalle untersucht. THz Emission und Spinströme: Hauptfokus und Nutzung des Lasersystem aktuell, ist die Weiterentwicklung der THz Spektroskopie mit neuartigen THz Emittern. THz Spektroskopie erhält immer mehr Einzug in die Forschung. Bis vor kurzem ein nur schwer erreichbarer Teil des elektromagnetischen Spektrums, erlaubt dieser das Verständnis insbesondere komplexer Systeme mit niedriger Anregungsenergie– im Festkörper, in Molekülen oder in Aggregaten von Proteinen. Wir haben neue Konzepte entwickelt, die die Generation und Kontrolle von THz Spin-Strömen in spinelektronischen Emittern erlaubt. Die Umsetzung in kompakte Emitter an Spitzen einer Glasfaser und 2D Scans mit hoher Ortsauflösung, sowie Fragestellung aus der Biochemie und Medizin sind laufende Projekte. Kohärente Spindynamik: Idee der Nutzung der Coherent Envelope Stabilitzation (CEP) Option war die aktive Stabilisierung der Phase im Anregungspuls kontrolliert zu variieren, um kohärente Effekte zu studieren im Rahmen von Vorexperimenten. Zur Zeit finden allerdings diese Experimente mit kohärenter Kontrolle im Attosekundenbereich in Zusammenarbeit mit Dr. Martin Schultze am Max-Planck- Institut für Quantenopik statt, bei denen es möglich ist kürzeren few-cycle Pulse zu generieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Coherent ultrafast spindynamics probed in three dimensional topological insulators, Sci. Rep. 5, 15304 (2015)
F. Boschini, M. Mansurova, G. Mussler, J. Kampmeier, D. Grützmacher, L. Braun, F. Katmis, J. S. Moodera, C. Dallera, E. Carpene, C. Franz, M. Czerner, C. Heiliger, T. Kampfrath, M. Münzenberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep15304) - Multifunctional gold nanorods for selective plasmonic photothermal therapy in pancreatic cancer cells using ultrashort pulse near-infrared laser irradiation, Nanoscale 7, 5328-5337 (2015)
T. Patino, U. Mahajan, R. Palankar, N. Medvedev, J. Walowski, M. Münzenberg, J. Mayerle and M. Delcea
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c5nr00114e) - Confinement of phonon propagation in laser deposited tungsten/ polycarbonate multilayers, New J. Phys. 18, 092002 (2016)
F. Döring, H. Ulrichs, S. Pagel, M. Müller, M. Mansurova, M. Müller, C. Eberl, T. Erichsen, D. Huebner, Philipp Vana, K. Mann, M. Münzenberg and H.-U. Krebs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/9/092002) - Efficient metallic spintronic emitters of ultrabroadband terahertz radiation, Nature Photon. 10, 483–488 (2016)
T. Seifert, S. Jaiswal, U. Martens, J. Hannegan, L. Braun, P. Maldonado, F. Freimuth, A. Kronenberg, J. Henrizi, I. Radu, E. Beaurepaire, Y. Mokrousov, P.M. Oppeneer, M. Jourdan, G. Jakob, D. Turchinovich, L.M. Hayden, M. Wolf, M. Münzenberg, M. Kläui, T. Kampfrath
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.91) - Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics, J. Appl. Phys. 120, 140901 (2016)
J. Walowski and M. Münzenberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4958846) - THz elastic dynamics in finite-size CoFeB-MgO phononic superlattices. J. Appl. Phys. 120, 14 (2016)
H. Ulrichs, D. Meyer, M. Müller, S. Wittrock, M. Mansurova, J. Walowski and M. Münzenberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4961978) - Ultrafast photocurrents at the surface of the threedimensional topological insulator Bi2Se3, Nature Comm. 7, 13259 (2016)
L. Braun, G. Mussler, A. Hruban, M. Konczykowski, M. Wolf, T. Schumann, M. Münzenberg, L. Perfetti, T. Kampfrath
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms13259) - Magnetisation switching of FePt nanoparticle recording medium by femtosecond laser pulses, Sci. Rep. 7, 4114 (2017)
R. John, M. Berritta, D. Hinzke, C. Müller, T. Santos, H. Ulrichs, P. Nieves, J. Walowski, R. Mondal, O. Chubykalo-Fesenko, J. McCord, P. M. Oppeneer, U. Nowak, M. Münzenberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-04167-w) - Magnetization dynamics in magnonic structures with different geometries: interfaces, notches and waveguides, J. of Phys.: Cond. Mat. 29, 214001 (2017)
M. Mansurova, J. von der Haar, J. Panke, J. Walowski, H. Ulrichs, M. Münzenberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa6bd1) - The missing link. Nature Reviews Physics 1 (2019)
M. Münzenberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s42254-019-0021-y)
