Atomically resolved dynamics of correlated quantum systems

Abstract

In this thesis ultra-fast phenomena are investigated with a scanning tunneling microscope (STM). The real space influence of atomic sized defects on ultra-fast dynamics in correlated systems is one of the great mysteries in experimental research of solid states and is investigated in this thesis using two different approaches. In the first part an artificially built few atom magnet is investigated whose dynamic prop-erties are slowed down by placing it on a decoupling layer. The dynamic properties have a direct impact on spin-dependent transport and lead to the appearance of negative dif-ferential resistance. The effects can be astonishingly well described by a rate equation model which allows a deep insight into the processes occurring. The dynamics investigated in the first part are in the microsecond to nanosecond regime, as much faster processes cannot be measured by a conventional STM. To break this barri-er, in the second part of the thesis the development of a new unconventional STM is pre-sented. By coupling picosecond free-space terahertz (THz) laser pulses into the tunnel junction and inducing ultra-fast voltage pulses this new instrument enables pump-probe experiments with femtosecond time resolution on the atomic scale. In the last part of the thesis the dynamics of the charge density wave (CDW) system 2H-NbSe2 are investigated with the new THz-STM. A complex dynamic response is thereby observed consisting of a 600 fs decay and oscillating features with THz frequencies. The data can be explained by the excitation of the electronic system by a strong screening cur-rent which leads to the launch of collective modes of the CDW system. Further spatial resolved measurements indicate a clear link of the dynamic response with atomic defects.

In dieser Arbeit werden ultra-schnelle Phänomene mit einem Rastertunnelmikro-skop (STM) untersucht. Der lokale Einfluss von atomaren Defekten auf ultra-schnelle Phänomene in korrelierten Systemen ist eines der großen Mysterien der experimentellen Erforschung von Festkörpern. Diesem Thema wird sich in Rahmen dieser Arbeit aus zwei unterschiedlichen Richtungen angenähert. Im ersten Teil wird ein aus wenigen Atomen künstlich gebauter Magnet untersucht, des-sen dynamische Eigenschaften durch das Platzieren auf einer Entkopplungsschicht ver-langsamt wurden. Die dynamischen Eigenschaften haben einen direkten Einfluss auf die elektrischen Transport Eigenschaften und führen zu einem negativen differentiellen Wie-derstand. Die auftretenden Effekte können außergewöhnlich präzise mit einem Model basierend auf einer Raten-Gleichung beschrieben werden, das einen tiefen Einblick in die auftretenden Prozesse erlaubt. Während die dynamischen Prozesse des ersten Teils sich im Mikrosekunden bis in das Nanosekunden Regime abspielen, lassen sich schnellere Prozesse nicht mehr mit konven-tionellen STM messen. Um diese Barriere zu durchbrechen, wird im zweiten Teil die Ent-wicklung eines neuen unkonventionellen STM vorgestellt. Durch die Kopplung von Piko-sekunden Freiraum Terahertz Pulsen in den Tunnel Kontakt und dem induzieren von ultra-schnellen Spannungspulsen erlaubt das neue Instrument auf der atomaren Skala stroboskopische Messungen mit einer Zeitauflösung kleiner als Pikosekunden. Mit dem neuen Instrument wird im letzten Kapitel das Ladungsträgerdichtewellen-(CDW)-system 2H-NbSe2 untersucht. Dabei wird eine dynamische Antwort bestehend aus einem 600 fs Abklingen und Schwingung mit THz Frequenzen beobachtet. Die Mes-sungen können durch eine elektronische Anregung erklärt werden, die durch einen star-ken Schirmungsstrom hervorgerufen wird, und zur Anregung von kollektiven Moden der CDW führt. Die Verbindung zwischen der dynamischen Antwort und atomaren Defekten wird in weiteren räumlich aufgelösten Messungen deutlich gezeigt.