Untersuchung kohärenter Phononen im fortgeschrittenen Bachelorlabor

Ultrakurze optische Spektroskopie ist eine effektive experimentelle Technik, um elektronische und atomare Bewegungen in Materialien auf ihren fundamentalen Zeitskalen zu erfassen und ihre Reaktionen auf externe Störungen zu untersuchen. Trotz der wichtigen Einblicke, die ultrakurze Techniken in die mikroskopische Physik von Festkörpern bieten können, ist die Exposition von Bachelorstudenten gegenüber diesem Forschungsbereich nach wie vor begrenzt. In diesem Artikel beschreiben wir ein Experiment zur ultrakurzen optischen Pump-Probe-Spektroskopie für das fortgeschrittene Bachelorunterrichtslabor, in dem die Studenten kohärent angeregte Vibrationen des Kristallgitters messen und ihre Beobachtungen mit den mikroskopischen Eigenschaften der untersuchten Materialien verbinden können. Wir haben ein einfaches Tischgerät entwickelt, das auf einem kommerziellen Er-Faser-Oszillator basiert, der 50-fs-Pulse bei 1560 nm und einem Wiederholungsrate von 100 MHz ausgibt. Wir teilen den Ausgang in zwei Strahlen auf, wobei wir einen davon als intensiven „Pump“ verwenden, um Phononen in ausgewählten Kristallen kohärent anzuregen, und den anderen als schwächeren, verzögerten „Probe“, um die durch den Pump induzierten transienten Reflexivitätsänderungen zu messen. Wir charakterisieren die ultrakurzen Laserimpulse mittels Intensitäts-Autokorrelationsmessungen und detektieren kohärente Phonenschwingungen in der Reflexivität von Bi, Sb und 1T-TaS2. Anschließend diskutieren wir die Schwingungsamplitude, Frequenz und Dämpfung im Hinblick auf die mikroskopischen Eigenschaften dieser Systeme.