TY - THES A1 - Thielemann-Kühn, Nele T1 - Optically induced ferro- and antiferromagnetic dynamics in the rare-earth metal dysprosium T1 - Optisch induzierte ferro- und antiferromagnetische Dynamik im Seltenerdmetall Dysprosium N2 - Approaching physical limits in speed and size of today's magnetic storage and processing technologies demands new concepts for controlling magnetization and moves researches on optically induced magnetic dynamics. Studies on photoinduced magnetization dynamics and their underlying mechanisms have been primarily performed on ferromagnetic metals. Ferromagnetic dynamics bases on transfer of the conserved angular momentum connected with atomic magnetic moments out of the parallel aligned magnetic system into other degrees of freedom. In this thesis the so far rarely studied response of antiferromagnetic order to ultra-short optical laser pulses in a metal is investigated. The experiments were performed at the FemtoSpex slicing facility at the storage ring BESSY II, an unique source for ultra-short elliptically polarized x-ray pulses. Laser-induced changes of the 4f-magnetic order parameter in ferro- and antiferromagnetic dysprosium (Dy), were studied by x-ray methods, which yield directly comparable quantities. The discovered fundamental differences in the temporal and spatial behavior of ferro- and antiferrmagnetic dynamics are assinged to an additional channel for angular momentum transfer, which reduces the antiferromagnetic order by redistributing angular momentum within the non-parallel aligned magnetic system, and hence conserves the zero net magnetization. It is shown that antiferromagnetic dynamics proceeds considerably faster and more energy-efficient than demagnetization in ferromagnets. By probing antiferromagnetic order in time and space, it is found to be affected along the whole sample depth of an in situ grown 73 nm tick Dy film. Interatomic transfer of angular momentum via fast diffusion of laser-excited 5d electrons is held responsible for the out-most long-ranging effect. Ultrafast ferromagnetic dynamics can be expected to base on the same origin, which however leads to demagnetization only in regions close to interfaces caused by super-diffusive spin transport. Dynamics due to local scattering processes of excited but less mobile electrons, occur in both magnetic alignments only in directly excited regions of the sample and on slower pisosecond timescales. The thesis provides fundamental insights into photoinduced magnetic dynamics by directly comparing ferro- and antiferromagnetic dynamics in the same material and by consideration of the laser-induced magnetic depth profile. N2 - Die Geschwindigkeit und Datendichte in heutigen Technologien zur magnetischen Datenspeicherung und -verarbeitung erreichen allmählich physikalische Grenzen. Neue Konzepte zur Manipulation von Magnetisierung sind deshalb erforderlich, was die Forschung an optisch induzierter Magnetodynamik motiviert. Studien zur magnetischen Dynamik ausgelöst durch Femtosekunden-Laserpulse und die ihr zugrunde liegenden Mechanismen stützen sich vorwiegend auf ferromagnetische Metalle. Die Manipulation ferromagnetischer Ordnung basiert aufgrund physikalischer Erhaltungssätze auf dem Transfer des mit atomaren magnetischen Momenten verknüpften Drehimpulses, in andere Freiheitsgrade wie das Gitter oder räumlich in Bereiche mit anderen magnetischen Eigenschaften. Gegenstand dieser Arbeit ist die bisher weniger umfassend untersuchte Reaktion antiferromagnetischer Ordnung auf optische Anregung. Die hier vorgestellten Experimente wurden an der FemtoSpex Slicing Facility, einer einzigartigen Quelle für ultrakurze elliptisch polarisierte Röntgenpulse am Elektronenspeicherring BESSY II durchgeführt. Im 4f-Metall Dysprosium (Dy), das je nach Temperatur ferro- oder antiferromagnetisch ist, wurden optisch induzierte Änderungen der magnetischen Ordnung mit Röntgenmethoden untersucht, aus denen sich der jeweilige 4f-Ordnungsparameter direkt vergleichbar ableiten lässt. Es wird ein sowohl zeitlich als auch räumlich fundamental unterschiedliches Verhalten der ferro- und antiferromagnetischen Dynamik im Femtosekundenbereich nachgewiesen: Antiferromagnetische Ordnung wird wesentlich schneller und energieeffizienter reduziert als ferromagnetische Ordnung. Zeit- und tiefenaufgelöste Messungen an antiferromagnetischem Dy zeigen, dass dieser Effekt zudem äußerst weitreichend ist und die magnetische Ordnung entlang der gesamten Probentiefe eines 73 nm dicken in situ gewachsenen Dy-Films reduziert. Verantwortlich dafür ist ein hier identifizierter Kanal für Drehimpulstransfer, der es aufgrund der nicht-parallelen Orientierung der atomaren magnetischen Momente in Antiferromagneten erlaubt, die entsprechende Ordnung durch eine Umverteilung des Drehimpulses innerhalb des magnetischen Systems zu reduzieren. Dieser Kanal wird zugänglich durch schnelle Diffusion von laserangeregten 5d-Elektronen, die interatomar Drehimpuls übertragen. Die Experimente deuten darauf hin, dass ultraschnelle ferromagnetische Dynamik ebenfalls stark auf Diffusion mobiler Elektronen basiert. Allerdings sorgt der Effekt hier ausschließlich für Demagnetisierung in grenzflächennahen Bereichen durch Spintransport in magnetisch andersartige Gebiete. Auf längeren Picosekundenzeitskalen wird magnetische Dynamik in der antiferro- und voraussichtlich auch in der ferromagnetischen Phase von Dy durch lokale Streuprozesse angeregter aber weniger beweglicherer Elektronen, zum Beispiel mit Phononen hervorgerufen, allerdings nur in direkt angeregten Teilen der Probe. Die vorliegende Arbeit gibt durch den direkten Vergleich ferro- und antiferromagnetischer Dynamik und der Berücksichtigung des optisch induzierten magnetischen Tiefenprofils Einblicke in die fundamentalen Ursprünge optisch induzierter magnetischer Dynamik. KW - antiferromagnetism KW - ferromagnetism KW - ultrafast phenomena KW - x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) KW - x-ray magnetic resonant diffraction (XMRD) KW - rare-earth metals KW - pump-probe experiment KW - optically induced dynamics KW - Antiferromagnetismus KW - Ferromagnetismus KW - ultraschnelle Phänomene KW - magnetischer Zirkulardichroismus KW - magnetische resonante Beugung KW - seltene Erden KW - Anregungs-Abfrage-Experiment KW - optisch induzierte Dynamik Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-402994 ER - TY - THES A1 - Bösche, Nina Kristine T1 - Detection of rare earth elements and rare earth oxides with hyperspectral spectroscopy T1 - Die Erkennung von Seltenerdelementen und Seltenerdoxiden mittels hyperspektraler Spektroskopie BT - near-field and spaceborne investigations in preparation of the EnMAP mission BT - Nahfeld und satellitengestützte Bildanalyse in Vorbereitung der EnMAP Mission N2 - The continuously increasing demand for rare earth elements in technical components of modern technologies, brings the detection of new deposits closer into the focus of global exploration. One promising method to globally map important deposits might be remote sensing, since it has been used for a wide range of mineral mapping in the past. This doctoral thesis investigates the capacity of hyperspectral remote sensing for the detection of rare earth element deposits. The definition and the realization of a fundamental database on the spectral characteristics of rare earth oxides, rare earth metals and rare earth element bearing materials formed the basis of this thesis. To investigate these characteristics in the field, hyperspectral images of four outcrops in Fen Complex, Norway, were collected in the near-field. A new methodology (named REEMAP) was developed to delineate rare earth element enriched zones. The main steps of REEMAP are: 1) multitemporal weighted averaging of multiple images covering the sample area; 2) sharpening the rare earth related signals using a Gaussian high pass deconvolution technique that is calibrated on the standard deviation of a Gaussian-bell shaped curve that represents by the full width of half maxima of the target absorption band; 3) mathematical modeling of the target absorption band and highlighting of rare earth elements. REEMAP was further adapted to different hyperspectral sensors (EO-1 Hyperion and EnMAP) and a new test site (Lofdal, Namibia). Additionally, the hyperspectral signatures of associated minerals were investigated to serve as proxy for the host rocks. Finally, the capacity and limitations of spectroscopic rare earth element detection approaches in general and of the REEMAP approach specifically were investigated and discussed. One result of this doctoral thesis is that eight rare earth oxides show robust absorption bands and, therefore, can be used for hyperspectral detection methods. Additionally, the spectral signatures of iron oxides, iron-bearing sulfates, calcite and kaolinite can be used to detect metasomatic alteration zones and highlight the ore zone. One of the key results of this doctoral work is the developed REEMAP approach, which can be applied from near-field to space. The REEMAP approach enables rare earth element mapping especially for noisy images. Limiting factors are a low signal to noise ratio, a reduced spectral resolution, overlaying materials, atmospheric absorption residuals and non-optimal illumination conditions. Another key result of this doctoral thesis is the finding that the future hyperspectral EnMAP satellite (with its currently published specifications, June 2015) will be theoretically capable to detect absorption bands of erbium, dysprosium, holmium, neodymium and europium, thulium and samarium. This thesis presents a new methodology REEMAP that enables a spatially wide and rapid hyperspectral detection of rare earth elements in order to meet the demand for fast, extensive and efficient rare earth exploration (from near-field to space). N2 - Die weltweit steigende Nachfrage nach seltenen Erden für technische Komponenten in modernen Technologien, rückt die Erkundung neuer Lagerstätten näher in den Fokus der globalen Exploration. Die Erkundung und Beschreibung neuer Lagerstätten mittels hyperspektraler Fernerkundung findet basierend auf Mineralkartierung bereits eine breite Anwendung. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Machbarkeit hyperspektraler Fernerkundung zur Detektion von Seltenerdelement-Vorkommen. Um dieser Fragestellung nachzukommen, wird eine grundlegende Datenbank der spektralen Eigenschaften von Seltenerdoxiden, Seltenerdmetallen und Seltenerdelement-haltigen Materialien hergestellt. Diese Eigenschaften wurden an vier Aufschlüssen des Fen Complexes in Norwegen hyperspektral analysiert. Auf dieser Grundlage wurde eine neue Methodik (REEMAP) entwickelt, die Seltenerdelement angereicherte Zonen im Aufschluss auffindet und kartiert. Die wichtigsten Schritte dieser Methode sind wie folgt: 1) multi-temporal gewichtete Mittelung mehrerer hyperspektraler Bilder des gleichen Ausschnittes; 2) Verstärkung des charakteristischen spektralen Merkmals unter Verwendung eines Hochpassfilterverfahrens, das auf der Standardabweichung einer Gaußkurve basiert die der gesuchten Absorptionsbande entspricht; 3) die mathematische Modellierung der gesuchten Absorptionsbande und thematische Klassifikation der Bildpixel. REEMAP wurde auf verschiedene Sensoren (EO-1 Hyperion und EnMAP) und ein neues Testgebiet (Lofdal, Namibia) re-kalibriert. Weiterhin wurde untersucht, inwiefern hyperspektrale Methoden zum Detektieren von Proxymineralen verwendet werden können. Die Limitationen der Seltenerd-Detektion mittels Spektroskopie im Allgemeinen und der Detektion unter Anwendung von REEMAP wurden erforscht und diskutiert. Ein Ergebnis dieser Arbeit ist, dass acht Seltenerdoxid Spektren eindeutig detektierbare Absorptionsbanden zeigen, die für eine Seltenerddetektion verwendet werden können. Zusätzlich können die spektralen Merkmale von Eisenoxiden, eisenhaltigen Sulfaten, Kalzit und Kaolinit verwendet werden, um metasomatische Alterationszonen und die Erzgänge zu erkennen. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung der REEMAP Methode. Vor allem für verrauschte hyperspektrale Bilder zeigten die Ergebnisse unter der Verwendung von REEMAP eine höhere Detektionswahrscheinlichkeit. Neben dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Bildes, sind die davon abhängige spektrale Auflösung, überdeckende Materialien, atmosphärische Effekte und Aufnahmen unter suboptimalen Lichtverhältnissen als weitere wichtige Limitation der Seltenerd-Detektion zu nennen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Doktorarbeit ist, dass der zukünftige EnMAP Satellit (mit seinem aktuell veröffentlichten Spezifikationen, Juni 2015) theoretisch in der Lage sein wird die Absorptionsbanden von Erbium, Dysprosium, Holmium, Neodym, Europium, Thulium und Samarium zu detektieren. Meine Dissertation stellt eine neue fernerkundliche Methode (REEMAP) vor, die zur weiträumigen und schnellen hyperspektralen Detektion von seltenen Erden verwendet werden kann und somit hilfreich bei der Exploration seltener Erden sein kann. KW - remote sensing KW - rare earth elements KW - hyperspectral KW - EnMAP satellite KW - Fernerkundung KW - Seltenerdelemente KW - seltene Erden KW - Hyperspektral KW - EnMAP Satellit Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85363 ER -