Messstation für terahertz-getriebene Photoemissionsspektroskopie mit Ultrakurzzeitauflösung

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465668329

Das beantragte Großgerät kombiniert Terahertz (THz) Starkfeld-Anregung mit zeit- und winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (tr-ARPES). Es erlaubt, die Beobachtung der ultraschnellen Nichtgleichgewichtsdynamik in unterschiedlichen Materialklassen mit einer Zeitauflösung weit unterhalb der Periodendauer des treibenden THz-Feldes. Mit intensiver THz-Strahlung findet eine "Bottom-up"-Anregung der fundamentalen, niedrigsten Energiemoden statt. Physikalische Probleme wie der Energiefluss und die ultraschnelle Entwicklung des Nichtgleichgewichts in Dirac-Materialien (z. B. Graphen, 3D-Dirac-Semimetalle, topologische Isolatoren), magnetischen Materialien (z. B. Seltene-Erden-Orthoferriten), Peierls-Semimetallen (Wismut oder Arsen) und van der Waals-Heterostrukturen (z. B. WSe2) werden unter der direkten Anregung der niedrigsten Energiemoden in den Materialien (Leitungsströme um das Fermi-Niveau, infrarot-aktive optische Phononen, Magnonen) untersucht. "Bottom-up"-THz-Anregung von Materialien vermeidet dabei parasitäre elektronische und strukturelle Anregungen, wie sie bei Anregungen im sichtbaren Spektralbereich auftreten und zu elektronischen Band-zu-Band-Übergängen und Raman-Anregung des Gitters führen. Tr-ARPES erlaubt die Beobachtung der Wirkung dieser „bottom-up“-Anregung direkt in der Bandstruktur selbst sowie deren Besetzung. Neben THz tr-ARPES ermöglicht das Großgerät winkelaufgelöste Streaking-Spektroskopie mit Streaking-Feldern vom NIR bis THz. Dies erweitert den Dynamikbereich zur Untersuchung der Elektronendynamik während des Photoemissionsprozesses auf 10 as bis 10 fs. Zum Einsatz kommt ein Femtosekundenlaser, der mit 100 kHz Wiederholrate Pulse mit 5 mJ Pulsenergie bei 1030 nm Zentralwellenlänge liefert. Dank unterschiedlicher nichtlinearer Wellenlängenkonversionsmethoden erlaubt das Lasersystem die Erzeugung von gepulster Strahlung vom EUV (150 eV) bis 0.1 THz (0.4 meV). Die hohe Pulsenergie des Lasersystems von 5 mJ ermöglicht durch optimierte optische Gleichrichtung eine Starkfeld-THz-Erzeugung, die ein- und mehrzyklische THz-Pulse mit elektrischen Feldstärken im Bereich von 0.1 - 1 MV/cm im Frequenzbereich von 0,1 - 40 THz liefert. Die hohe Repetitionsrate ermöglicht die Erfassung von zeit- und winkelaufgelösten Spektren in ausreichend kurzen Zeiten, um eine Degradation der Probenoberfläche zu vermeiden. Dadurch können Experimente an einer breiten Klasse von Materialien durchgeführt werden, wie z.B. (Halb-)Metallen, Halbleitern, magnetische Materialien und Adsorbatschichten. Als Elektronenanalysator kommt ein Flugzeit-Impulsmikroskop zum Einsatz, das neben Winkel- und Energieinformation auch einen abbildenden Modus zur Probeninspektion erlaubt. Eine kühl- und heizbare Probenaufnahme ermöglicht die Untersuchung der THz-getriebenen Dynamik in Materialien die Phasenübergänge durchlaufen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Messstation für terahertz-getriebene Photoemissionsspektroskopie mit Ultrakurzzeitauflösung
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Universität Bielefeld
• Leiter: Professor Dmitry Turchinovich, Ph.D.