Time-resolved investigations of non-classical phonon states
Final Report Abstract
Phononen bezeichnen die Schwingungsanregung von Atomen in einem Kristallgitter. Solche Phononen sind bei Raumtemperatur immer thermisch angeregt. Durch ultrakurze Laserimpulse können Phononen kohärent angeregt werden. Dies bedeutet, dass die Atome in der optisch angeregten Probe sich in Phase bewegen, ganz analog zu Photonen in einem kohärenten Laserstrahl, die sich ebenfalls durch die gleiche Phase auszeichnen. Eine interessante Frage Ist, wie sich kohärente Phononen von den thermisch angeregten Phononen unterschieden. Was passiert zum Beispiel, wenn Phononen mit großer Amplitude angeregt werden oder welche Rolle spielen die Eigenschaften des anregenden Laserimpulses. Einige dieser Fragen konnten in dem durchgeführten Projekt geklärt werden, gleichzeitig wurden neue Fragen aufgeworfen. Die Untersuchungen wurden hauptsächlich an Halbleitem und Semimetallen wie kristallinem Wismut und Tellur durchgeführt. Diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass kohärente Phononen mit großer Amplitude angeregt werden können und zu großen Änderungen der zeitabhängigen Reflektivität fuhren. Bei hohen optischen Leistungen, wie sie durch die Verwendung von verstärkten Femtosekunden Laserimpulsen generiert werden können, treten neuartige Effekte auf Im Zeitbereich treten Schwebungen auf, die aus der Überlagerung verschiedener Phononmoden bestehen. Die Ursache für die Entstehung dieser Schwebungen konnte in einer Inhomogeniät der Phon on frequenz bei sehr hohen Anregungsdichten in der Nähe der Gitterinstabilität erklärt werden. Damit werden dynamische Eigenschaften von Festkörpem weit weg vom thermischen Gleichgewicht beobachtbar. Für die beobachtete Dynamik gibt es bisher keine konsistente theoretische Beschreibung. Einige der Befunde, wie zum Beispiel der starke Einfluss eines Chirps des anregenden Laserpulses auf die kohärente Phononamplitude lassen sich eher im Bild molekularer Anregungen als im Bild von Festkörpem beschreiben. Diese experimentellen Befunde bedürfen weiterer Untersuchungen ftir eine konlusive Erklärung. Neue experimenteller Techniken, die kohärente Phononen direkt über die kollektiven Atombewegungen beobachten können, wie zum Beispiel die zeitaufgelöste Röntgenbeugung oder zeitaufgelöste Elektronenbeugung, werden hier eine wichtige Rolle spielen.
Publications
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- Coherent phonons in bulk and low-dimensional semiconductors M. Forst and T. Dekorsy invited review chapter in Coherent Vibrational Dynamics, eds. Sandro De Silvestri, Giulio Cerullo, and Guglieimo Lanzani, CRC Press (2008) pp. 129-170
- Coherent Phonons in NdBa2CU3O7-x Single Crystals: Optical-Response Anisotropy andHysteretic Behavior O. V. Misochko, M. V. Lebedev, N. Georgiev, and T. Dekorsy Joumal of Experimental and Theoretical Physics 98, 341 (2004). Translated from Zhumal Eksperimentarnoi i Teoreticheskoi Flziki 125, 385 (2004).
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- Effect of phase modulation of a laser pulse on the generation of a coherent totally symmetric phonon in a tellurium single crystal O.V. Misochko, S.V. Andreev, V.O. Kompanets, Y.A. Matveets, A.G. Stepanov, S.V. Chekalin, and T. Dekorsy Physics of Solid State 49, 2171 (2007).
- Femtosecond time-resolved optical pump-probe spectroscopy at kilohertz-scan-rates ~ over nanosecond-time-delays without mechanical delay Une A. Bartels, F. Hudert, C. Janke, and T. Dekorsy, K. Köhler Appl. Phys. Lett. 88, 041117 (2006).
- Observation of longitudinal optical-transverse optical splitting for E-symmetry phonons in Te by coherent phonon spectroscopy O. V. Misochko, M.V. Lebedev, and T. Dekorsy J. Phys.: Condens. Matter 17, 3015 (2005).
- On the Nature of ^^Coherent Artifact M.V. Lebedev, O.V. Misochko, T. Dekorsy, and N. Georgiev Joumal of Experimental and Theoretical Physics 100, 272 (2005).
- Ultrafast time-domain spectroscopy based on high-speed asynchronous optical sampling A. Bartels, R. Cema, C. Kistner, A. Thoma, F. Hudert, C. Janke, and T. Dekorsy Rev. Sc. instr. 78, 035107 (2007).
