Ultrafast dynamics of electronic structure and domain nucleation during photo-induced phase transition in FeRh

Abstract

In this work, the microscopic evolution of the optically induced magneto-structural phase transition in FeRh was investigated. The electronic structure evolution of the unoccupied states was measured with time-resolved X-ray absorption spectroscopy (tr-XAS) at Fe L3 edge. It was related to the modification of the exchange interaction and generation of ferromagnetic order with the help of X-ray absorption spectral simulations based on density functional theory. X-ray absorption spectra were calculated under dipole approximation and one-electron theory for different temperatures, lattice constants and magnetic states (FM and AFM). The theoretical calculations suggested that most significant contribution to electronic band structure change comes from the modification of magnetic ordering and thus exchange interactions. The experiments were performed on epitaxial FeRh thin films grown on single crystalline SiC membranes. A direct measurement of XAS spectral changes without the need for magnetic contrast and magnetic field provide the inherent timescales of the competing interactions. It was demonstrated that the electronic structure and exchange interactions in FeRh can be modified at ultrafast time scales by laser excitation. At later time scales, long range correlations also clearly modify the local electronic structure as observed at the post edge to the Fe L3 edge. Competition between the ferromagnetic exchange (Fe-Rh) and the antiferromagnetic exchange (Fe-Fe) leads to the short range FM state at picosecond time scale after the laser excitation, but long-range ferromagnetic state can only be stabilized at the time scale of 10 ps, which is similar to time scale of lattice expansion (14 ps) observed in other experiments. Connection was made between the microscopic ferromagnetic state and macroscopic magnetization by studying the spatial evolution of ferromagnetic domains using time-resolved small angle X-ray scattering (tr-SAXS). It was shown that difference signal (pumped-unpumped) gives primarily the ferromagnetic contribution of the phase transition. Nucleation and growth dynamics of FM domains, with range of 10 nm to 60 nm domains, was observed up to 100 ps timescales. FM domains which nucleate from the condensation/cooling of non-equilibrium FM fluctuations around 3-4 ps grow at different rates at later times. The correlation functions and correlation length evolution, calculated by the Fourier transform of fitted SAXS intensity, give three regions of dynamical slowing down of phase transition. The physics behind the dynamics can be sought out by comparing the evolution of correlation length with Ising model. In the first region from 3 to around 8 ps, where there is a exponential down in the evolution of correlation length, the dynamical exponent decays from 14 to 1. In this region, non-equilibrium FM fluctuations condense into FM nucleation centers. In intermediary region from 8 to around 23 ps, where growth rate is slower, the dynamical exponent decays from 1 to 0.3. In this region, nucleated domains grow in size and the FM order parameter does not remain conserved. In the last region from 23 ps onwards, the dynamical exponent decays from 0.3 to 0.2. In this region, FM domains grow at the expense of smaller FM domains by coalescence. The FM order parameter, in this region, remains nearly conserved as formation of new FM phase saturates. Thus, tr-XAS and tr-SAXS measurements give unified microscopic picture of spatial and temporal evolution of the photo-induced phase transition in FeRh. Nevertheless, more experimental and theoretical investigations, at the Rh L or M edge, are needed to clarify the dynamics of FMordering and role of Rh in stabilizing the FM state of FeRh at higher temperature.

In another part of thesis, X-ray spectral simulations were performed in order to simulate the thermal changes in X-ray absorption spectra of 3d transition metals (Ti, Co, Cr, Cu). It was observed that thermal changes in X-ray spectra, for most part, can be explained by electron reshuffling according to the Fermi-Dirac distribution. Some small features in spectral changes, specifically in case of Ti and Cr, might involve actual band structure changes. Further theoretical investigations are needed in this regard ( such as using time dependent density functional theory (TDDFT) or dynamical mean field theory (DMFT)) to accurately calculate the electronic correlations and many-body effects.

In relation to ongoing efforts to achieve sub-femtosecond time resolution in FEL experiments, novel arrival time measurement scheme based on spectral encoding of THz pulse emission excited by FEL pulses was presented. This scheme was shown to be capable of in-situ pulse-resolved timing jitter measurements with just μJ/cm2 fluence and time resolution of few femtoseconds. It makes it more suitable for future MHz rep rate FEL facilities comparing to other transient reflectivity techniques which require fluence near damage threshold (∼20 mJ/cm2). Further, it was shown that this technique can be used parasitically for FEL pulse diagnostics. Further investigations on different materials are needed to improve the sensitivity of in-situ measurement scheme and to extend the measurements to broad FEL energy range and pulse duration.

In dieser Arbeit wurde die mikroskopische Entwicklung des optisch induzierten magnetostrukturellen Phasenübergangs in FeRh untersucht. Die elektronische Strukturentwicklung der unbesetzten Zustände wurde mit zeitaufgelöster Röntgenabsorptionsspektroskopie (tr-XAS) an der Fe L3-Kante gemessen. Mit Hilfe von Röntgenabsorptionsspektralsimulationen wurde die elektronische Strukturentwicklung auf dieModifikation der Austauschwechselwirkung und die Erzeugung ferromagnetischer Ordnung bezogen. Röntgenabsorptionsspektren wurden unter Dipolnäherung und Ein-Elektronen-Theorie für verschiedene Temperaturen, Gitterkonstanten und magnetische Zustände (FMund AFM) berechnet. Die theoretischen Berechnungen legten nahe, dass der wichtigste Beitrag zur Änderung der elektronischen Bandstruktur von der Modifikation der magnetischen Ordnung und damit von Austauschwechselwirkungen stammt. Die Experimente wurden an epitaktischen FeRh-Dünnfilmen durchgeführt, die auf einkristallinen SiC-Membranen aufgewachsen waren. Eine direkte Messung von XAS-Spektraländerungen liefert die inhärenten Zeitskalen der konkurrierenden Wechselwirkungen des AFM-FMPhasenübergangs ohne die Notwendigkeit von magnetischem Kontrast und angelegtem Magnetfeld. Es wurde gezeigt, dass die elektronische Struktur und Austauschwechselwirkungen in FeRh durch Laseranregung auf ultraschnellen Zeitskalen modifiziert werden können. Auf späteren Zeitskalen ändern weitreichende Korrelationen auch deutlich die lokale elektronische Struktur, wie sie an der oberhalb der Fe L3-Kante beobachtet wird. Die Konkurrenz zwischen dem ferromagnetischen Austausch (Fe-Rh) und dem antiferromagnetischen Austausch (Fe-Fe) führt zu dem kurzreichweitigen FM-Zustand auf der Pikosekunden-Zeitskala nach der Laseranregung, aber der langreichweitige ferromagnetische Zustand kann nur auf der Zeitskala von 10 ps stabilisiert werden, was mit der Zeitskala der Gitterexpansion (14 ps) korrespondiert, die in anderen Experimenten beobachtet wurde. Eine Verbindung zwischen dem mikroskopischen ferromagnetischen Zustand und dermakroskopischen Magnetisierung wurde hergestellt, indem die räumliche Entwicklung ferromagnetischer Domänen unter Verwendung zeitaufgelöster Röntgenkleinwinkelstreuung (tr-SAXS) untersucht wurde. Es wurde gezeigt, dass das Differenzsignal (gepumpt-ungepumpt) hauptsächlich den ferromagnetischen Beitrag des Phasenübergangs liefert. Die Nukleations- und Wachstumsdynamik von FM-Domänen in einem Bereich von 10 nm bis 60 nm wurde auf Zeitskalen von bis zu 100 ps beobachtet. FM-Domänen, die aus der Kondensation/Abkühlung von Nichtgleichgewichts-FM-Fluktuationen um die 3-4 ps entstehen, wachsen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu späteren Zeitenpunkten. Die Korrelationsfunktionen und die Korrelationslängenentwicklung, berechnet durch die Fourier-Transformation der angepassten SAXS-Intensität, ergeben drei Bereiche der dynamischen Verlangsamung des Phasenübergangs. Die Physik hinter der Dynamik kann durch einen Vergleich der Entwicklung der Korrelationslänge mit dem Ising-Modell ermittelt werden. Im ersten Bereich von 3 bis etwa 8 ps, wo die Entwicklung der Korrelationslänge exponentiell abwärts verläuft, fällt der dynamische Exponent von 14 auf 1 ab. In diesem Bereich kondensieren Nichtgleichgewichts-FM-Fluktuationen zu FM-Nukleationszentren. Im darauf folgenden Bereich von 8 bis etwa 23 ps, wo die Wachstumsrate langsamer ist, fällt der dynamische Exponent von 1 auf 0,3 ab. In dieser Region nehmen nukleierte Domänen an Größe zu, und der FM-Ordnungsparameter ist nicht konserviert. Auf längeren Zeitskalen ab 23 ps fällt der dynamische Exponent von 0,3 auf 0,2 ab. In diesem Bereich wachsen die FM-Domänen auf Kosten kleinerer FM-Domänen durch Koaleszenz. Der FM-Ordnungsparameter bleibt in diesem Bereich der FM-Phasensättigungen nahezu erhalten. Somit liefern tr-XAS- und tr-SAXS-Messungen ein einheitliches mikroskopisches Bild der räumlichen und zeitlichen Entwicklung des photoinduzierten Phasenübergangs in FeRh. Nichtsdestotrotz sind weitere experimentelle und theoretische Untersuchungen an der Rh-L- oder-M-Kante erforderlich, um die Dynamik der FM-Ordnung und die Rolle von Rh bei der Stabilisierung des FM-Zustands von FeRh bei höheren Temperaturen zu klären.

Im Zusammenhang mit den laufenden Bemühungen, eine Zeitauflösung von Sub-Femtosekunden in XFEL-Experimenten zu erreichen, wurde ein neuartiges Schema zur Messung der Ankunftszeit von Röntgen- und Laser-Pulsen vorgestellt, welche auf der spektralen Kodierung der von XFEL-Pulsen in der Probe erzeugten THz-Strahlung basiert. Es wurde gezeigt, dass das in-situ pulsaufgelöste Timing-Jitter-Messprinzip mit Energiedichten im Bereich von μJ/cm2 auskommt und eine Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden ermöglicht. Diese Methode eignet sich besser für zukünftige FEL-Anlagen mit Wiederholungsrate im MHz-Bereich im Vergleich zu anderen transienten Reflektivitätstechniken, die höhere Energiedichten nahe der Schadensschwelle von Materialen erfordern (∼20 mJ/cm2). Weiterhin konnte gezeigt werden, dass diese Technik parasitär für die XFEL-Pulsdiagnostik eingesetzt werden kann. Weitere Untersuchungen an verschiedenen Materialien sind erforderlich, um die Empfindlichkeit der Methode weiter zu steigern und die Messungen auf einen breiteren Bereich von Photonenenergien und Pulsdauern auszudehnen.