TY - GEN A1 - Mattern, Maximilian A1 - Pudell, Jan-Etienne A1 - Dumesnil, Karine A1 - von Reppert, Alexander A1 - Bargheer, Matias T1 - Towards shaping picosecond strain pulses via magnetostrictive transducers T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Using time-resolved x-ray diffraction, we demonstrate the manipulation of the picosecond strain response of a metallic heterostructure consisting of a dysprosium (Dy) transducer and a niobium (Nb) detection layer by an external magnetic field. We utilize the first-order ferromagnetic–antiferromagnetic phase transition of the Dy layer, which provides an additional large contractive stress upon laser excitation compared to its zerofield response. This enhances the laser-induced contraction of the transducer and changes the shape of the picosecond strain pulses driven in Dy and detected within the buried Nb layer. Based on our experiment with rare-earth metals we discuss required properties for functional transducers, which may allow for novel field-control of the emitted picosecond strain pulses. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1321 KW - picosecond ultrasonics KW - magnetostriction KW - ultrafast x-ray diffraction KW - ultrafast photoacoustics KW - nanoscale heat transfer KW - negative thermal expansion Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-588868 SN - 1866-8372 IS - 1321 ER - TY - THES A1 - von Reppert, Alexander T1 - Magnetic strain contributions in laser-excited metals studied by time-resolved X-ray diffraction T1 - Untersuchung magnetischer Beiträge zur Ausdehnung laserangeregter Metalle mittels zeitaufgelöster Röntgenbeugungsexperimente N2 - In this work I explore the impact of magnetic order on the laser-induced ultrafast strain response of metals. Few experiments with femto- or picosecond time-resolution have so far investigated magnetic stresses. This is contrasted by the industrial usage of magnetic invar materials or magnetostrictive transducers for ultrasound generation, which already utilize magnetostrictive stresses in the low frequency regime. In the reported experiments I investigate how the energy deposition by the absorption of femtosecond laser pulses in thin metal films leads to an ultrafast stress generation. I utilize that this stress drives an expansion that emits nanoscopic strain pulses, so called hypersound, into adjacent layers. Both the expansion and the strain pulses change the average inter-atomic distance in the sample, which can be tracked with sub-picosecond time resolution using an X-ray diffraction setup at a laser-driven Plasma X-ray source. Ultrafast X-ray diffraction can also be applied to buried layers within heterostructures that cannot be accessed by optical methods, which exhibit a limited penetration into metals. The reconstruction of the initial energy transfer processes from the shape of the strain pulse in buried detection layers represents a contribution of this work to the field of picosecond ultrasonics. A central point for the analysis of the experiments is the direct link between the deposited energy density in the nano-structures and the resulting stress on the crystal lattice. The underlying thermodynamical concept of a Grüneisen parameter provides the theoretical framework for my work. I demonstrate how the Grüneisen principle can be used for the interpretation of the strain response on ultrafast timescales in various materials and that it can be extended to describe magnetic stresses. The class of heavy rare-earth elements exhibits especially large magnetostriction effects, which can even lead to an unconventional contraction of the laser-excited transducer material. Such a dominant contribution of the magnetic stress to the motion of atoms has not been demonstrated previously. The observed rise time of the magnetic stress contribution in Dysprosium is identical to the decrease in the helical spin-order, that has been found previously using time-resolved resonant X-ray diffraction. This indicates that the strength of the magnetic stress can be used as a proxy of the underlying magnetic order. Such magnetostriction measurements are applicable even in case of antiparallel or non-collinear alignment of the magnetic moments and a vanishing magnetization. The strain response of metal films is usually determined by the pressure of electrons and lattice vibrations. I have developed a versatile two-pulse excitation routine that can be used to extract the magnetic contribution to the strain response even if systematic measurements above and below the magnetic ordering temperature are not feasible. A first laser pulse leads to a partial ultrafast demagnetization so that the amplitude and shape of the strain response triggered by the second pulse depends on the remaining magnetic order. With this method I could identify a strongly anisotropic magnetic stress contribution in the magnetic data storage material iron-platinum and identify the recovery of the magnetic order by the variation of the pulse-to-pulse delay. The stark contrast of the expansion of iron-platinum nanograins and thin films shows that the different constraints for the in-plane expansion have a strong influence on the out-of-plane expansion, due to the Poisson effect. I show how such transverse strain contributions need to be accounted for when interpreting the ultrafast out-of-plane strain response using thermal expansion coefficients obtained in near equilibrium conditions. This work contributes an investigation of magnetostriction on ultrafast timescales to the literature of magnetic effects in materials. It develops a method to extract spatial and temporal varying stress contributions based on a model for the amplitude and shape of the emitted strain pulses. Energy transfer processes result in a change of the stress profile with respect to the initial absorption of the laser pulses. One interesting example occurs in nanoscopic gold-nickel heterostructures, where excited electrons rapidly transport energy into a distant nickel layer, that takes up much more energy and expands faster and stronger than the laser-excited gold capping layer. Magnetic excitations in rare earth materials represent a large energy reservoir that delays the energy transfer into adjacent layers. Such magneto-caloric effects are known in thermodynamics but not extensively covered on ultrafast timescales. The combination of ultrafast X-ray diffraction and time-resolved techniques with direct access to the magnetization has a large potential to uncover and quantify such energy transfer processes. N2 - In dieser Arbeit untersuche ich den Einfluss magnetischer Ordnung auf die laser-induzierte, ultraschnelle Ausdehnung von Metallen. In Experimenten mit Femto- oder Pikosekunden Zeitauflösung sind magnetische Drücke bisher kaum erforscht. Dies steht im Kontrast zur industriellen Verwendung von magnetischen Invar Materialien oder magnetostriktiven Ultraschallgebern, in denen magnetische Drücke bereits in niedrigeren Frequenzbereichen Anwendung finden. In meinen Experimenten untersuche ich, wie der Energieeintrag durch die Absorption von Femtosekunden-Laserpulsen in dünnen Metallschichten zu einem ultraschnellen Druckanstieg führt. Dabei nutze ich, dass der Druckanstieg zu einer Ausdehnung führt, welche Deformationswellen auf der Nanometerskala, sogenannte Hyperschallpulse, in angrenzende Schichten aussendet. Sowohl die Ausdehnung als auch die Deformationspulse ändern den mittleren Abstand zwischen den Atomen in der Probe, welcher mittels Röntgenbeugung an einer Laser-getriebenen Plasma-Röntgenquelle mit einer Subpikosekunden-Zeitauflösung detektiert wird. Das Verfahren der ultraschnellen Röntgenbeugung gelingt auch in Heterostrukturen mit vergrabenen Detektionsschichten, zu denen optische Methoden aufgrund ihrer limitierter Eindringtiefe in Metallen keinen Zugang haben. Ein Beitrag dieser Arbeit zum Feld der Pikosekunden-Akustik ist es, aus der Ausdehnung einer solchen Detektionsschicht Rückschlüsse auf die initialen Energietransferprozesse zu ziehen. Der direkte Zusammenhang zwischen der eingebrachten Energiedichte in die Nanostrukturen und dem resultierenden Druck auf das Atomgitter ist ein zentraler Punkt in meiner Analyse der Experimente. Das zu Grunde liegende thermodynamische Konzept des Grüneisen-Parameters bildet den theoretischen Kontext meiner Publikationen. Anhand verschiedener Materialien demonstriere ich, wie dieses Prinzip auch zur Analyse der Ausdehnung auf ultraschnellen Zeitskalen verwendet werden kann und sich auch auf magnetische Drücke übertragen lässt. Insbesondere in der Materialklasse der schweren, seltenen Erdelemente sind Magnetostriktionseffekte sehr groß und führen dort sogar zu einem ungewöhnlichen Zusammenziehen des Materials nach der Laseranregung. Solch ein bestimmender Einfluss des magnetischen Drucks auf die Atombewegung ist bisher nicht gezeigt worden. Die Zeitskala des magnetischen Druckanstiegs entspricht dabei der beobachteten Abnahme der helikalen Spin-Ordnung, welche zuvor mittels zeitaufgelöster, resonanter Röntgenbeugung ermittelt wurde. Dies zeigt, dass die Stärke des magnetischen Drucks als Maß für magnetische Ordnung dienen kann, insbesondere auch im Fall von antiparalleler oder nicht-kollinearer Ordnung der magnetischen Momente in Proben mit verschwindender Magnetisierung. In Metallfilmen ist die Dehnung des Atomgitters in der Regel durch Druck von Elektronen und Gitterschwingungen geprägt. Um den magnetischen Druckbeitrag auch in solchen Fällen zu extrahieren, in denen systematische Experimente oberhalb und unterhalb der magnetischen Ordnungstemperatur nicht praktikabel sind, habe ich ein neuartiges Doppelpuls-Anregungsverfahren entwickelt, welches allgemein für die Untersuchung von Phasenübergängen nützlich ist. Der Energieeintrag durch den ersten Laserpuls führt dabei zu einer partiellen, ultraschnellen Demagnetisierung, sodass die Amplitude und Form der Gitterausdehnung nach dem zweiten Puls von der Stärke des verbliebenen magnetischen Drucks und somit von der verbliebenen magnetischen Ordnung abhängt. Mit dieser Methode ist es möglich geworden, einen stark richtungsabhängigen, magnetischen Druckbeitrag im Speichermedium Eisen-Platin zu identifizieren und mittels Variation des Puls-zu-Puls Abstands auch die Rückkehr der magnetischen Ordnung zu zeigen. Die unterschiedliche Ausdehnung von Eisen-Platin Nanopartikeln und dünnen Filmen zeigt dabei, dass die verschiedenen Zwangsbedingungen für die Ausdehnung entlang der Probenoberfläche aufgrund des Poisson-Effekts einen entscheidenden Einfluss auf die ultraschnelle Ausdehnung senkrecht zur Probenoberfläche hat. Ich analysiere, wie die zugrunde liegende Querkontraktion bei der Interpretation der ultraschnellen Ausdehnung auf der Basis von thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Quasi-Gleichgewicht berücksichtigt werden kann. Meine Arbeit erweitert die Literatur um einen Beitrag zur ultraschnellen Magnetostriktion und entwickelt eine Methodik mittels derer räumlich und zeitlich variierende Druckbeiträge anhand einer Modellierung der Form der Deformationswellen extrahiert werden können. Energietransferprozesse spiegeln sich dabei durch eine Änderung des Druckprofils gegenüber dem Absorptionsprofil der Laserpulse wider. KW - lattice dynamics KW - magnetism KW - ultrafast KW - X-ray diffraction KW - Gitterdynamik KW - Magnetismus KW - ultraschnell KW - Röntgenbeugung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535582 ER - TY - GEN A1 - von Reppert, Alexander A1 - Mattern, Maximilian A1 - Pudell, Jan-Etienne A1 - Zeuschner, Steffen Peer A1 - Dumesnil, Karine A1 - Bargheer, Matias T1 - Unconventional picosecond strain pulses resulting from the saturation of magnetic stress within a photoexcited rare earth layer T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Optical excitation of spin-ordered rare earth metals triggers a complex response of the crystal lattice since expansive stresses from electron and phonon excitations compete with a contractive stress induced by spin disorder. Using ultrafast x-ray diffraction experiments, we study the layer specific strain response of a dysprosium film within a metallic heterostructure upon femtosecond laser-excitation. The elastic and diffusive transport of energy to an adjacent, non-excited detection layer clearly separates the contributions of strain pulses and thermal excitations in the time domain. We find that energy transfer processes to magnetic excitations significantly modify the observed conventional bipolar strain wave into a unipolar pulse. By modeling the spin system as a saturable energy reservoir that generates substantial contractive stress on ultrafast timescales, we can reproduce the observed strain response and estimate the time- and space dependent magnetic stress. The saturation of the magnetic stress contribution yields a non-monotonous total stress within the nanolayer, which leads to unconventional picosecond strain pulses. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 899 KW - Strain measurement KW - Photoexcitations KW - Crystal lattices KW - Femtosecond lasers KW - Thermal effects KW - Heterostructures KW - Ultrafast X-rays KW - Phonons Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-469350 SN - 1866-8372 IS - 899 ER - TY - GEN A1 - Pudell, Jan-Etienne A1 - Maznev, Alexei A1 - Herzog, Marc A1 - Kronseder, M. A1 - Back, Christian A1 - Malinowski, Gregory A1 - von Reppert, Alexander A1 - Bargheer, Matias T1 - Layer specific observation of slow thermal equilibration in ultrathin metallic nanostructures by femtosecond X-ray diffraction T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Ultrafast heat transport in nanoscale metal multilayers is of great interest in the context of optically induced demagnetization, remagnetization and switching. If the penetration depth of light exceeds the bilayer thickness, layer-specific information is unavailable from optical probes. Femtosecond diffraction experiments provide unique experimental access to heat transport over single digit nanometer distances. Here, we investigate the structural response and the energy flow in the ultrathin double-layer system: gold on ferromagnetic nickel. Even though the excitation pulse is incident from the Au side, we observe a very rapid heating of the Ni lattice, whereas the Au lattice initially remains cold. The subsequent heat transfer from Ni to the Au lattice is found to be two orders of magnitude slower than predicted by the conventional heat equation and much slower than electron-phonon coupling times in Au. We present a simplified model calculation highlighting the relevant thermophysical quantities. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 797 KW - thin magnetic layers KW - optical-excitation KW - heat-capacity KW - electron KW - gold KW - dynamics Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426233 SN - 1866-8372 IS - 797 ER - TY - GEN A1 - Zeuschner, Steffen A1 - Parpiiev, Tymur A1 - Pezeril, Thomas A1 - Hillion, Arnaud A1 - Dumesnil, Karine A1 - Anane, Abdelmadjid A1 - Pudell, Jan-Etienne A1 - Willig, Lisa A1 - Rössle, Matthias A1 - Herzog, Marc A1 - von Reppert, Alexander A1 - Bargheer, Matias T1 - Tracking picosecond strain pulses in heterostructures that exhibit giant magnetostriction T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-naturwissenschaftliche Reihe N2 - We combine ultrafast X-ray diffraction (UXRD) and time-resolved Magneto-Optical Kerr Effect (MOKE) measurements to monitor the strain pulses in laser-excited TbFe2/Nb heterostructures. Spatial separation of the Nb detection layer from the laser excitation region allows for a background-free characterization of the laser-generated strain pulses. We clearly observe symmetric bipolar strain pulses if the excited TbFe2 surface terminates the sample and a decomposition of the strain wavepacket into an asymmetric bipolar and a unipolar pulse, if a SiO2 glass capping layer covers the excited TbFe2 layer. The inverse magnetostriction of the temporally separated unipolar strain pulses in this sample leads to a MOKE signal that linearly depends on the strain pulse amplitude measured through UXRD. Linear chain model simulations accurately predict the timing and shape of UXRD and MOKE signals that are caused by the strain reflections from multiple interfaces in the heterostructure. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 706 KW - Heterostructures KW - Magnetooptical effects KW - Metal oxides KW - Crystal lattices KW - Transition metals KW - Magnetism KW - Ultrafast X-ray diffraction KW - Lasers KW - Bragg peak KW - Phonons Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428457 SN - 1866-8372 IS - 706 ER - TY - GEN A1 - von Reppert, Alexander A1 - Puddell, J. A1 - Koc, A. A1 - Reinhardt, M. A1 - Leitenberger, Wolfram A1 - Dumesnil, K. A1 - Zamponi, Flavio A1 - Bargheer, Matias T1 - Persistent nonequilibrium dynamics of the thermal energies in the spin and phonon systems of an antiferromagnet N2 - We present a temperature and fluence dependent Ultrafast X-Ray Diffraction study of a laser-heated antiferromagnetic dysprosium thin film. The loss of antiferromagnetic order is evidenced by a pronounced lattice contraction. We devise a method to determine the energy flow between the phonon and spin system from calibrated Bragg peak positions in thermal equilibrium. Reestablishing the magnetic order is much slower than the cooling of the lattice, especially around the Néel temperature. Despite the pronounced magnetostriction, the transfer of energy from the spin system to the phonons in Dy is slow after the spin-order is lost. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 272 Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98710 ER -