Staats- und Universitätsbibliothek Hamburg Carl von Ossietzky
Erscheinungsjahr:
2025
Medientyp:
Text
Schlagworte:
Insulator-to-metal transition
Quantum materials
Soft X-ray spectroscopy
Soft X-ray diffraction
Resonant inelastic X-ray scattering
Phase separation
530: Physik
33.61: Festkörperphysik
Röntgenabsorptionsspektroskopie
Inelastische Röntgenstreuung
Synchrotron
Festkörperphysik
Freie-Elektronen-Laser
Strukturelle Phasenumwandlung
ARPES
Fresnel-Zonenplatte
ddc:530:
Röntgenabsorptionsspektroskopie
Inelastische Röntgenstreuung
Synchrotron
Festkörperphysik
Freie-Elektronen-Laser
Strukturelle Phasenumwandlung
ARPES
Fresnel-Zonenplatte
Beschreibung:
Quantum materials are governed by a complex interplay of spin, orbit, charge and lattice degrees of freedom, resulting in emergent phenomena like high-temperature superconductivity, charge and orbital ordering and insulator-to-metal transitions (IMTs). Often, the interaction of these subsystems results in an energy landscape with multiple local minima favouring different phases. In many cases, two or more distinct phases coexist and the macroscopic property of the material is shaped by the properties of the individual phases as well as their interaction. To understand the complexity that shapes quantum materials, their properties need to be studied in multiple dimensions of space, energy and time. X-rays are indispensable tools for the study of quantum materials as they enable probing on atomic length scales as well as excitation of electrons bound in specific core levels. Synchrotron radiation sources provide the coherence, spectral brightness, flexible focusing capabilities and tunability of the photon energy to adapt the X-ray beam properties to the requirements of a specific measurement scheme and sample. The photon energy can be tuned to electronic resonances of one element to disentangle its role for macroscopic functionality. Free-electron lasers (FELs) extend this capability in the time domain down to pico- and femtoseconds, the time scales of atomic and electronic motion. This thesis presents the development of multidimensional and multimodal soft X-ray methods that can be tailored to address specific scientific challenges posed by quantum materials. Multidimensional studies of incident and emitted photon energies and spatial and temporal dependencies as well as the dependence on fluence of a pump laser that drives e.g. an IMT are discussed. Multimodal studies allow observing quantum materials from the point of view of different experimental techniques, like X-ray imaging, X-ray absorption spectroscopy, X-ray emission spectroscopy, (resonant) X-ray diffraction, resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) and angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). First, the RIXS imaging method, which utilizes a transmission Fresnel zone plate to combine soft X-ray absorption spectroscopy with microscopy with a resolution of 1.8 µm, is presented. This method is applied in a study of the IMT of VO2 microsquares measuring 30 µm × 30 µm. Imaging X-ray absorption spectroscopy (XAS) shows that the phase transition temperature at the edges of the squares is lower in comparison to the centres by 1.2 K. This implies that bulk properties of quantum materials may change upon structuring on the microscale. Second, this method is transferred to imaging X-ray diffraction (XRD) to investigate the doped titanate Y1−xCaxTiO3 with x = 0.37, revealing insulating and metallic phases which coexist in curved, striped domains across unusually large temperature regions. This observation is related to a varying chemical inhomogeneity of about x ± 0.01, likely arising during crystal growth. Next, excitation of the electronic subsystem in quantum materials with femtosecond infra-red laser pulses also drives insulator-to-metal transitions. For the study of ultrafast dynamics of magnetite (Fe3O4) at an FEL, zone plates can also be used for time-to-space mapping, recording a delay range of several picoseconds as well as an extended fluence range simultaneously. This time-to-space mapping setup combines temporal, spatial and pump fluence information and may be developed to record single-shot experiments in the future. Lastly, a method, termed photoelectron spectrometry for the analysis of X-rays (PAX), which converts RIXS photons to photoelectrons via the photoelectric effect, is developed towards high energy resolution to investigate a sample from the family of high-temperature superconducting cuprates. PAX enables simultaneous recording of a range of photon-sample momentum transfer, corresponding to a significant part of the first Brillouin zone in the investigated system. In comparison to grating-based RIXS spectrometers, a PAX instrument is much more compact, saving money and experimental space. The success of the PAX method resulted in the development of a dedicated ultra-high vacuum chamber, soon to be commissioned, which promises a significant improvement in photon count rate and energy resolution, as well as the combination with ARPES. In summary, this thesis presents experimental developments that enable the study of quantum materials through the utilisation of diverse soft X-ray methods in conjunction with a spatial resolution on the micrometer level, temporal resolution on the level of 100 fs and energy resolution on the level of 100 meV. Furthermore, it outlines concepts to improve this energy and spatial resolution by approximately one order of magnitude. The advancement of the experimental tools described in this thesis will facilitate a deeper comprehension of the complexity of quantum materials and enable us as a society to harness phenomena occurring in quantum materials.
Quantenmaterialien werden durch ein komplexes Zusammenspiel von Spin, Orbit, Ladung und Kristallgitter charakterisiert, was emergente Phänomene wie Hochtemperatursupraleitung, Ladungs- und Orbitalordnung und Isolator-Metall-Übergänge hervorrufen kann. Häufig erzeugt die Wechselwirkung dieser Freiheitsgrade eine Energielandschaft mit mehreren lokalen Minima, welche verschiedene Phasen begünstigen. Dies kann dazu führen, dass zwei oder mehr unterschiedliche Phasen koexistieren und die makroskopische Eigenschaft des Materials durch die Eigenschaften der einzelnen Phasen sowie deren Wechselwirkung bestimmt wird. Um diese Komplexität, welche Quantenmaterialien charakterisiert, zu verstehen, müssen ihre Eigenschaften in den Dimensionen von Raum, Energie und Zeit untersucht werden. Röntgenstrahlen sind unverzichtbare Werkzeuge für die Untersuchung von Quantenmaterialien, da sie die Untersuchung auf atomaren Längenskalen sowie die Anregung von Elektronen, gebunden in spezifischen Kernniveaus, ermöglichen. Synchrotronstrahlungsquellen bieten die Kohärenz, spektrale Helligkeit, flexible Fokussierungsmöglichkeiten und Durchstimmbarkeit der Photonenenergie, welche nötig sind um die Eigenschaften des Röntgenstrahls an die Anforderungen eines bestimmten Messschemas und einer bestimmten Probe anzupassen. Die Photonenenergie kann auf elektronische Resonanzen eines Elements eingestellt werden, um dessen Beitrag zu der makroskopischen Funktionalität zu untersuchen. Freie-Elektronen-Laser (FELs) erweitern diese Möglichkeiten hin zu den Zeitskalen von Piko- und Femtosekunden, auf welchen sich Atome und Elektronen bewegen. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung von multidimensionalen und multimodalen Weichröntgenmethoden, welche auf die spezifischen wissenschaftlichen Herausforderungen von Quantenmaterialien angepasst werden. Multidimensionale Studien von einfallender und emittierter Photonenenergie, von räumlichen und zeitlichen Abhängigkeiten sowie von der Abhängigkeit der Fluenz eines Pumplasers, welcher einen Isolator-Metallübergang anregt, werden diskutiert. Multimodale Studien ermöglichen die Beobachtung von Quantenmaterialien mit verschiedenen experimentellen Techniken, wie Röntgenbildgebung, Röntgenabsorptionsspektroskopie, Röntgenemissionsspektroskopie, (resonanter) Röntgendiffraktion, resonanter inelastischer Röntgenstreuung (RIXS) und winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES). Zunächst wird eine abbildende RIXS Methode vorgestellt, welche eine Transmissions-Fresnel-Zonenplatte verwendet um Weichröntgenabsorptionsspektroskopie mit Mikroskopie mit einer Auflösung von 1.8 μm zu kombinieren. Diese Methode wird in einer Studie des Isolator-Metallübergangs von Mikroquadraten, welche 30 μm×30 μm klein sind und aus Vanadiumdioxid (VO2) bestehen, angewendet. Abbildende Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) zeigt, dass die Phasenübergangstemperatur an den Rändern der Quadrate im Vergleich zu den Zentren um 1.2K verringert ist. Dies deutet darauf hin, dass sich die Eigenschaften von Quantenmaterialien durch Strukturierung auf der Mikroskala ändern können. Weiterhin wird diese Methode auf abbildende Röntgenbeugung (XRD) übertragen, um das dotierte Titanatsystem Y1 − xCaxTiO3 mit x = 0.37 zu untersuchen. Hierbei werden isolierende und metallische Phasen beobachtet, welche in gekrümmten, streifenförmigen Domänen über ungewöhnlich große Temperaturbereiche hinweg koexistieren. Diese Beobachtung steht in Zusammenhang mit einer variierenden chemischen Inhomogenität von etwa x±0.01, die wahrscheinlich während des Kristallwachstums entstanden ist. Auch Femtosekunden-Infrarot-Laserpulse können genutzt werden, um das elektronische System in Quantenmaterialien anzuregen und Isolator-Metall-Übergänge zu treiben. Für die Untersuchung der ultraschnellen Dynamik von Magnetit (Fe3O4) an einem FEL können Zonenplatten auch für die Methode des Time-to-Space Mapping verwendet werden, wobei eine Spanne des Zeitversatzes zwischen Pumplaser und FEL von mehreren Pikosekunden sowie eine Verteilung von Fluenzen gleichzeitig aufgezeichnet werden. Diese Methode kombiniert Informationen über Zeit, Raum und Pumpfluenz und kann in Zukunft für die Aufzeichnung von Einzelschussexperimenten entwickelt werden. Schließlich wird die Methode der Photoelektronenspektrometrie zur Analyse von Röntgenstrahlung (PAX) weiterentwickelt. Diese Methode wandelt RIXS-Photonen mit Hilfe des photoelektrischen Effekts in Photoelektronen um. Sie wird genutzt um eine Probe aus der Familie der Hochtemperatursupraleiter mit hoher Energieauflösung zu untersuchen. Weiterhin ermöglicht PAX die simultane Messung einer Verteilung von Impulsüberträgen von Photonen auf die Probe. Der Bereich der Verteilung entspricht einem signifikanten Teil der ersten Brillouin-Zone in dem hier untersuchten System. Im Vergleich zu Gitterspektrometern ist ein PAX-Instrument viel kompakter, was Geld und Experimentierfläche spart. Der Erfolg der PAX-Methode führte zur Entwicklung einer speziellen Ultrahochvakuumkammer, die demnächst in Betrieb genommen wird und eine erhebliche Verbesserung der Photonenzählrate und der Energieauflösung sowie die Kombination mit ARPES verspricht. Zusammenfassend werden in dieser Arbeit experimentelle Entwicklungen vorgestellt, welche die Untersuchung von Quantenmaterialien durch den Einsatz verschiedener Weichröntgenmethoden in Verbindung mit einer räumlichen Auflösung im Mikrometerbereich, einer Zeitauflösung im Bereich von 100 fs und einer Energieauflösung im Bereich von 100 meV ermöglichen. Darüber hinaus werden Konzepte zur Verbesserung dieser Energie- und Ortsauflösung um etwa eine Größenordnung vorgestellt. Die Weiterentwicklung der in dieser Arbeit beschriebenen experimentellen Werkzeuge wird ein tieferes Verständnis der Komplexität von Quantenmaterialien ermöglichen und uns als Gesellschaft in die Lage versetzen, Phänomene, die in Quantenmaterialien auftreten, nutzbar zu machen.