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Transiente Änderung der elektronischen Struktur von Bi2Sr2CaCu2O8+δ

Freutel, Simon

Die vorliegende Arbeit untersucht die dynamische Antwort des elektronischen Systems des Hochtemperatursupraleiters Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi2212) auf die optische Anregung durch ultrakurze Laserpulse. Mittels der zeit- und winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie an optimal- und unterdotiertem Bi2212 in der „Pseudogap“-Phase werden anhand von Änderungen in der elektronischen Struktur zwei Effekte diskutiert, welche aufgrund ihres unterschiedlichen Zeitverhaltens als unabhängig betrachtet werden können. Zum einen ist dies eine photoinduzierte Änderung der effektiven Masse m* im Bereich der „Kink“-Energie von E - EF = -70 meV, welche innerhalb der Zeitauflösung des Experimentes von ~100 fs auftritt und somit als eine direkt durch den Anregepuls verursachte Störung der zu dem „Kink“ führenden elektronischen Wechselwirkung interpretiert werden kann. Zum anderen wird eine Verschiebung des Fermiflächenvektors kF beobachtet, was als effektive Änderung der Dotierung interpretiert werden kann und somit neue Möglichkeiten in Bezug auf ultraschnelle optoelektronische Bauteile basierend auf photoinduzierten Phasenübergängen eröffnet. Darüber hinaus wird die energie- und fluenzabhängige Dynamik angeregter Elektronen untersucht, welche ein biexponentielles Verhalten aufweisen. Während die langsame Komponente dieses Zerfalls von der Anregefluenz unabhängig ist, zeigt die schnelle Komponente einen deutlichen Sprung in der zugehörigen Zerfallszeit ober- und unterhalb der für das Material charakteristischen Energie von 70 meV. Dieser Sprung ist für niedrige Fluenzen am deutlichsten ausgeprägt, was anhand einer theoretischen Modellrechnung diskutiert wird. Ein großer Teil der vorliegenden Arbeit bestand zudem in der Konstruktion und dem Aufbau eines von Grund auf neuen Experimentes zur Photoemissionsspektroskopie, dessen Hauptbestandteil in dem Design eines 6-Achsen Manipulators lag, mit dessen Hilfe eine Probe bei tiefen Temperaturen unter Vakuumbedingungen unabhängig in jeweils alle 3 Rotations- und Translationsrichtungen bewegt werden kann. Im Zuge dieser Arbeiten wurden mit dem Aufbau zudem erste Test- und Charakterisierungsmessungen durchgeführt.

This work investigates the dynamic response of the electronic system of the high critical temperature superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi2212) due to the optical excitation by ultra short laser pulses. By using time- and angle-resolved photoemission spectroscopy on optimally and underdoped Bi2212 in the pseudogap phase two effects revealed by changes in the electronic structure are being discussed which, due to their different temporal behaviors, can be considered as independent. First, this is an photoinduced change of the effective mass m* around the kink energy of E - EF = -70 meV, that occurs during the experiment’s time resolution of ~100 fs and therefore can be interpreted as perturbation of the underlying electronic interaction caused directly by the pump pulse. Second, a shift of the Fermi surface vector kF is observed, that can be interpreted as an effective change of hole doping that gives rise to new opportunities for possible ultrafast optoelectronic devices based on optically induced phase transitions. Furthermore, the energy- and fluence-dependent dynamics of excited electrons are investigated, which exhibit a biexponential behavior. While the slow component of this decay seems to be independent from the excitation fluence, the fast component shows a pronounced jump in the corresponding decay time above and below the material’s characteristic energy of 70 meV. This jump is most pronounced for the low fluences, which will be discussed in the context of an appropriate theoretical model system. Moreover, a major part of this work was the construction and build up of an entirely new experimental setup for photoemission spectroscopy. The main part regarding this issue consists of the design of 6-axis manipulator which is capable of moving the sample at low temperature independently in all 3 rotational and translational degrees of freedom. In the context of this work first tests and characterization measurements has been performed using this new setup.

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Freutel, Simon: Transiente Änderung der elektronischen Struktur von Bi2Sr2CaCu2O8+δ. 2015.

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