TY - JOUR A1 - Miedema, Piter S. A1 - Thielemann-Kühn, Nele A1 - Calafell, Irati Alonso A1 - Schüßler-Langeheine, Christian A1 - Beye, Martin T1 - Strain analysis from M-edge resonant inelastic X-ray scattering of nickel oxide films JF - Physical chemistry, chemical physics : a journal of European Chemical Societies N2 - Electronic structure modifications due to strain are an effective method for tailoring nano-scale functional materials. Demonstrated on nickel oxide (NiO) thin films, Resonant Inelastic X-ray Scattering (RIXS) at the transition-metal M-2,M-3-edge is shown to be a powerful tool for measuring the electronic structure modification due to strain in the near-surface region. Analyses from the M-2,M-3-edge RIXS in comparison with dedicated crystal field multiplet calculations show distortions in 40 nm NiO grown on a magnesium oxide (MgO) substrate (NiO/MgO) similar to those caused by surface relaxation of bulk NiO. The films of 20 and 10 nm NiO/MgO show slightly larger differences from bulk NiO. Quantitatively, the NiO/MgO samples all are distorted from perfect octahedral (O-h) symmetry with a tetragonal parameter Ds of about -0.1 eV, very close to the Ds distortion from octahedral (O-h) symmetry parameter of -0.11 eV obtained for the surface-near region from a bulk NiO crystal. Comparing the spectra of a 20 nm film of NiO grown on a 20 nm magnetite (Fe3O4) film on a MgO substrate (NiO/Fe3O4/MgO) with the calculated multiplet analyses, the distortion parameter Ds appears to be closer to zero, showing that the surface-near region of this templated film is less distorted from O-h symmetry than the surface-near region in bulk NiO. Finally, the potential of M-2,M-3-edge RIXS for other investigations of strain on electronic structure is discussed. Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1039/c9cp03593a SN - 1463-9076 SN - 1463-9084 VL - 21 IS - 38 SP - 21596 EP - 21602 PB - Royal Society of Chemistry CY - Cambridge ER - TY - JOUR A1 - Thielemann-Kühn, Nele A1 - Hoffmann, P. A1 - Föhlisch, Alexander T1 - A versatile detector for total fluorescence and electron yield experiments JF - Review of scientific instruments : a monthly journal devoted to scientific instruments, apparatus, and techniques N2 - The combination of a non-coated silicon photodiode with electron repelling meshes makes a versatile detector for total fluorescence yield and electron yield techniques highly suitable for x-ray absorption spectroscopy. In particular, a copper mesh with a bias voltage allows to suppress or transmit the electron yield signal. The performance of this detection scheme has been characterized by near edge x-ray absorption fine structure studies of thermal oxidized silicon and sapphire. The results show that the new detector probes both electron yield and for a bias voltage exceeding the maximum photon energy the total fluorescence yield. Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1063/1.4754126 SN - 0034-6748 VL - 83 IS - 9 PB - American Institute of Physics CY - Melville ER - 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 - JOUR A1 - Thielemann-Kühn, Nele A1 - Schick, Daniel A1 - Pontius, Niko A1 - Trabant, Christoph A1 - Mitzner, Rolf A1 - Holldack, Karsten A1 - Zabel, Hartmut A1 - Föhlisch, Alexander A1 - Schuessler-Langeheine, Christian T1 - Ultrafast and Energy-Efficient Quenching of Spin Order: Antiferromagnetism Beats Ferromagnetism JF - Physical review letters N2 - By comparing femtosecond laser pulse induced ferro- and antiferromagnetic dynamics in one and the same material-metallic dysprosium-we show both to behave fundamentally different. Antiferromagnetic order is considerably faster and much more efficiently reduced by optical excitation than its ferromagnetic counterpart. We assign the fast and extremely efficient process in the antiferromagnet to an interatomic transfer of angular momentum within the spin system. Our findings imply that this angular momentum transfer channel is effective in other magnetic metals with nonparallel spin alignment. They also point out a possible route towards energy-efficient spin manipulation for magnetic devices. Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.197202 SN - 0031-9007 SN - 1079-7114 VL - 119 PB - American Physical Society CY - College Park ER -