Atto- und Femtosekundenkontrolle von kohärenten Elektronen in Tieftemperaturnanomaterialien und niederdimensionalen Nanomaterialien

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Kling, seit 4/2020
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389759512

Im Attosekundenbereich arbeitende, ultraschnelle Nanoelektronikkomponenten (UNEK) werden als vielversprechende Kandidaten für Hochgeschwindigkeitsbauteile gesehen. Diese Nanobauteile setzten auf ultraschnelle Elektronendynamik in Nanoobjekten ausgelöst durch ultrakurze Laserpulse. Falls in einem Nanoobjekt die Kohärenzlänge der Elektronen dessen Größe überschreitet, erstrecken sich die Elektronenwellen kohärent über das gesamte Objekt und bildet ein kohärentes Elektronensystem. Ein solches System kann durch Tieftemperatur- und niederdimensionale Nanomaterialien aufgebaut werden. Die Realisierung von räumlicher und zeitlicher Kontrolle über ein kohärentes Elektronensystem würde die Türe zu neuartigen UNEK öffnen. Da die Dauer von few-cycle Laserpulse kürzer als die zeitliche Kohärenz der Elektronen in dem Objekt ist, können Elektronenanregungen innerhalb der Kohärenzdauer zeitlich beliebig verändert werden. Die räumliche Veränderung des kohärenten Elektronensystems hingegen ist schwierig, da der Fokus eines Lasers größer als die Kohärenzlänge ist.Mit Hilfe von laserinduzierter Feldemission (LFE) wird es möglich räumliche Kontrolle über ultraschnelle Elektronendynamik zu erreichen. Starke elektrische Felder an einer Nanospitze ermöglichen Feldemission (FE) durch Elektronen, die ins Vakuum tunneln. Diese FE breitet sich von der Spitze ausgehend aus und vergrößert die geometrische Information über nanometergroße Struktur auf der Spitze in einen makroskopischen Bereich, was dann als Feldemissionsmikroskopie (FEM) benutzt werden kann. Deshalb ist FEM eine sehr aufschlussreiche Methode um nanometergroße Elektronensysteme zu erforschen. Wegen seiner mit der Kohärenzlänge von Metallelektronen vergleichbaren Quellengröße, ist FEM auch zur Erzeugung von kohärenten Elektronenstrahlen weit verbreitet. Die Beleuchtung einer Nanospitze mit einem ultrakurzen Laserpuls führt zu gepulster LFE, die ultrakurze kohärente Elektronenpulse aus nanometergroßen Bereichen erzeugt. LFE zeigt viele faszinierende Atto- und Femtosekundenelektronendynamikphänomene im Nanometerbereich, wie etwa Elektron-Elektron-Interaktion, Rückstreuprozesse oder subcycle Emission. Kurz nach erfolgreicher gepulster FE haben wir eine ultraschnelle gepulste Elektronenquelle mit Bereichsselektivität von einigen zehn Nanometern hergestellt, die nanometergenaue Kontrolle von kohärenten Elektronensystemen ermöglicht, die weit unterhalb des Fokuslimits von Lasern liegt.Mit LFE würden wir gerne in diesem Projekt die räumliche und zeitliche Kontrolle über kohärente Elektronenwellen erreichen und diese Methode anwenden um die Atto- und Femtosekundendynamik von kohärenten Elektronensystemen in niederdimensionalen und tieftemperierten Nanomaterialien zu untersuchen und zu beherrschen. Die geplanten Experimente sollen zudem neue Richtungen in der ultraschnellen kohärenten Elektronendynamik, Oberflächenphysik, Spintronik, zeitaufgelösten Elektronenholographie und Quanteninformationstechnik weisen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Markus Bohn
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Hirofumi Yanagisawa, bis 3/2020