Für Expertinnen und Experten
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Jan Vogelsang
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Für Expertinnen und Experten
Attosekunden-Mikroskopie an Oberflächen
Wir kombinieren Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM) mit XUV-Licht, was wir als Hohe Harmonische unserer Femtosekunden-Laserpulse erzeugen. In Argon erreichen wir hier Photonenenergien bis zu 140 eV, in Neon und Helium potentiell auch deutlich höhere Energien. Wir fokussieren diese Pulse mit einem toroidalen Spiegel oder dielektrischen Spiegeln auf eine Probenoberfläche. Die ausgelösten Elektronen untersuchen wir mittels Flugzeit-Photoemissions-Elektronenmikroskopie. Unser Aufbau zeichnet sich besonders dadurch aus, dass wir die XUV-Pulse mit einer Brennweite von 125mm und die IR-Pulse mit einer Brennweite von 33mm auf die Probe fokussieren können. So erreichen wir in einem kleinen Bereich besonders hohe Intensitäten.
Das Vorläufer-Experiment von unserem Aufbau in Lund wurde Ende 2023 in Advanced Physics Research publiziert, kurz nachdem der Nobelpreis an die Attosekundenforschung vergeben wurde. Hierin konnten wir erstmalig ein zeitaufgelöstes Experiment mit Attosekunden-Pulsen in einem PEEM durchführen. Hierzu haben wir die XUV-induzierte Elektronenemission aus einer frisch präparierten ZnO Oberfläche verwendet. Ein zeitlich verzögerter Wenig-Zyklen-Puls um 800nm lieferte die transiente elektrische Feldstärke, um die ausgelösten Elektronen periodisch zu beschleunigen. Dies konnten wir mittels eines Verzögerungsfeldes im PEEM nachweisen und so die raumzeitlichen Unterschiede zwischen der Trägerfrequenz bei 800nm und den XUV-Pulsen direkt auf der ZnO Oberfläche vermessen.
Die Erkenntnisse aus diesem Experiment sind in unseren experimentellen Aufbau in Oldenburg eingeflossen und wir arbeiten gerade an den nächsten Schritten.
Pulsdauermessmethode BIRDS
Wir haben eine neue, relativ spezielle Messmethode zur Pulsdauerbestimmung entwickelt: Die „bi-pulse reconstruction via dispersion scan”, kurz BIRDS. Sie verwendet ein Interferometer wie in einem FROG-Aufbau, verändert dann aber wie in einem Dispersion-Scan-Aufbau die Dispersion des erzeugten Pulspaares. Das besonders spannende an dieser Methode: Bei optimaler Pulskompression wird kein Messsignal erzeugt. Dieses entsteht erst, wenn eine gewisse Menge an Dispersion (mit beiden Vorzeichen) zu dem Pulspaar hinzugefügt wurde. Auf diese Weise ist die Methode besonders empfindlich auf Vor- und Nachpulse, die z.B. durch höhere Ordnungen Dispersion entstehen. Wir haben den COPRA-Algorithmus um eine Rekonstruktionsmöglichkeit für unsere Messdaten erweitert und die Ergebnisse im Journal Optics Express veröffentlicht.
Femtosekunden-Dynamiken in PEEM
Auch ohne Attosekunden-Pulse lassen sich spannende Ladungsträgerdynamiken in Nanostrukturen mittels Photoemissions-Elektronenmikroskopie untersuchen. Hierzu verwenden wir spektral abstimmbare Pulse im sichtbaren bis nahinfraroten Spektralbereich. Ein erster Puls regt Ladungsträger in der Probe in höhere Energieniveaus an, wo sie ihre Dynamik beginnen zu entfalten. Ein zweiter Puls sorgt nach einer variablen Wartezeit für die Photoemission der Ladungsträger. Diese tragen die wertvollen Informationen über den dynamischen Zustand der Probe. Den Emissionsort, Energiespektrum und Winkelverteilung jedes Elektrons untersuchen wir deshalb mit unserem experimentellen Aufbau. So lernen wir z.B. wie sich Ladungsträger nach optischer Anregung in InAs Nanodrähten verhalten, also ganz konkret welche Relaxationsprozesse auf welchen Zeitskalen eine Rolle spielen und wie räumlich inhomogene Feldverteilungen die Dynamik beeinflussen. Nicht nur Nanostrukturen, sondern auch 2D-Materialien sind von besonderem Interesse, da auch sie für optoelektronische Baugruppen relevant werden können und somit grundlegende Prozesse der Licht-Materie-Wechselwirkung verstanden werden müssen. Die in solchen „Devices” auftretenden Grenzflächen sind besonders wichtig, da hier die makroskopische Funktion definiert wird. Unsere raumzeitliche Auflösung erlaubt es, die Dynamiken genau dort zu untersuchen. Parallel erweitern wir unseren experimentellen Aufbau um weitere Lichtquellen wie insbesondere eine HHG-Beamline mit einer einzelnen, spektral schmalen Harmonischen zur Photoemission.
Weitere Forschungsschwerpunkte
Hier werden weitere Informationen folgen, wenn wir unsere Forschungsergebnisse publiziert haben.
