Phonon engineering in thin tin films for tuning photon-nuclei interaction

Abstract

When materials are fabricated at the nanoscale, properties such as thermodynamic quantities can drastically deviate from bulk properties. Thereby, the embedding environment has a strong impact on the behavior of the nanostructured material and thus provides a handle to engineer the properties as desired. In this work, the vibrational behavior of embedded thin tin films is probed and engineered in order to tune the photon-nuclei interaction in nuclear resonance scattering.

The fabrication of tin films is typically affected by tin clustering. Here, they are prepared by combining magnetron sputter deposition with vacuum quenching resulting in beta-Sn films with roughnesses of below one nanometer. By employing nuclear resonance scattering at the 23.88 keV resonance of 119Sn, not only a deviating tin hyperfine structure is found at the interface to the embedding material, but also indications for a strong distortion of thermodynamic properties in the interface region. Thus, nuclear inelastic scattering is performed to access the phonon density of states of the tin films. A shift of the phonon modes to higher energy is measured reflecting an increase of the rigidness of the tin atoms. This results in an enhancement by up to a factor of eight of the Lamb-Mössbauer factor, a quantity describing the probability of an elastic nuclear resonant scattering process. In addition to tin films, also embedded thin films of stannic oxide are investigated for nuclear quantum optics. Embedded in magnesium oxide, the stannic oxide films exhibit a nearly ideal two-level quantum system independent of the layer thickness. Collective quantum optics effects such as the collective Lamb shift and superradiance are measured as a function of the tin dioxide layer thickness.

The obtained results pave the way for applying thin tin films to probe spin structures in paramagnetic materials and to extend nuclear quantum optics to the resonance energy of 119Sn by employing stannic oxide films with their nearly unperturbed hyperfine structure.

Wenn Materialien auf der Nanometerskala hergestellt werden, können Materialeigenschaften wie zum Beispiel thermodynamische Größen sich drastisch ändern. Dabei hat die einbettende Umgebung einen großen Einfluss auf das Verhalten des nanostrukturierten Materials und ist damit ein Stellhebel, um die Materialeigenschaften gezielt zu verändern. In dieser Arbeit wird das gezielte Ändern der Schwingungseigenschaften von eingebetteten Zinndünnfilmen untersucht, um die Photon-Kern Wechselwirkung in Kernresonanzstreuprozessen zu manipulieren.

Die Herstellung von Zinndünnfilmen ist typischerweise beeinträchtigt durch Bildung von Zinn-Clustern. Hier werden die Dünnfilme durch einen Magnetron Sputterprozess auf gekühlten Substraten hergestellt, was zu Beta-Sn Filmen mit Rauigkeiten von unter einem Nanometer führt. Durch die Anwendung von Kernresonanzstreuung an der 23.88 keV Resonanz von 119Sn kann nicht nur eine Veränderung der Hyperfeinstruktur von Zinn an der Grenzfläche zum umgebenden Material festgestellt werden, sondern auch eine Verformung der thermodynamischen Eigenschaften in der Grenzflächenregion. Daher wird mittels unelastischer Kernstreuung die Phononenzustandsdichte in den Zinndünnfilmen vermessen. Die Messungen ergeben eine Verschiebung der Phononenzustände zu höheren Energien, was einer erhöhten Starrheit der Zinnatome entspricht. Dies resultiert in eine Erhöhung des Lamb-Mössbauer Faktors bis zum achtfachen, welcher die Wahrscheinlichkeit eines elastischen Kernstreuprozesses beschreibt. Zusätzlich zu den Zinndünnfilmen werden eingebettete Zinndioxidfilme für die Nutzung in der Kernquantenoptik untersucht. Wenn Zinndioxid eingebettet wird in Magnesiumoxid, weisen die Filme ein nahezu ideales Zwei-Level Quantensystem unabhängig von der Schichtdicke auf. Kollektive quantenoptische Effekte wie die kollektive Lamb Verschiebung und die Superradianz werden vermessen als Funktion der Schichtdicke.

Die Ergebnisse ebnen einen Weg um mittels Zinndünnfilmen Spinstrukturen in paramagnetischen Materialien auflösen zu können und um Kernquantenoptik mittels der nahezu ungestörten Hyperfeinstruktur von Zinndioxidfilmen durch die Resonanzenergie von 119Sn erweitern zu können.