Kohärente Abbildung von Quantensoliden mit einem computergenerierten Hologramm

• Antragsteller: Dr. Kahraman Keskinbora, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428809035

Leistungsstarke mikroskopische Bildgebungsmethoden eröffnen neue Möglichkeiten für die Mikro- / Nano-Welt und befeuern den Miniaturisierungstrend, der von einer Explosion unserer Technologie begleitet wird. Um die Auswirkungen dieses beispiellosen Wachstums auf die Umwelt zu überwinden, benötigen wir neue Technologien für den Umgang mit geringem Stromverbrauch und effiziente Technologien für saubere Energien, die von der Entwicklung neuartiger Materialien abhängen. Vor kurzem hat sich die Röntgenmikroskopie als ideales Werkzeug für die Erforschung solcher Möglichkeiten der Materialforschung für moderne gesellschaftliche Herausforderungen erwiesen. Dieses Projekt zielt auf die Entwicklung einer neuen Röntgen-Holographie-Methode zur Untersuchung von Quantenkörpern im Nanomaßstab. Unser Ziel ist, mikroskopische Texturen zu visualisieren, die dem makroskopischen Quantenverhalten solcher Materialien zugrunde liegen. Die Technik hängt von computergenerierten Hologrammen ab, um die einfallende Röntgenstrahlung in einen Referenzstrahl und einen Probenstrahl aufzuteilen. Der Referenzstrahl breitet sich im Vakuum aus, während der Probenstrahl die Probe durchquert und mit Phaseninformationen versehen wird, die die interne elektronische und magnetische Struktur der Probe kodieren. Eine Kamera erfasst dann das Interferenzmuster, aus dem ein komplexwertiges Bild der Probe mit einer räumlichen Auflösung von <30 nm gewonnen wird. Das Bild enthält Informationen über die Eigenschaften der Proben wie Zusammensetzung, Dichte, Magnetisierung. Das vorgeschlagene Verfahren hat mehrere entscheidende Vorteile: (i) Die Probe und die Referenzstrahlen werden nicht durch vorstrukturierte Masken definiert, wodurch die zeitaufwendige Probenvorbereitung vermieden wird. (ii) das Sichtfeld ist nicht physisch in einer vorab ausgewählten Region verankert, so dass erweiterte Proben untersucht werden können; (iii) Die Trennung der Probe und die Beleuchtung erlaubt sehr flexible experimentelle Fähigkeiten, wie z. B. die Reflexionsgeometrie, mit neuen Möglichkeiten. (iv) Der Ansatz ist mit ultraschnellen Einzelbildaufnahmen im Nanobereich kompatibel. Simulationen unterstützen die Realisierbarkeit der vorgeschlagenen Methode, die wir als strukturierte Beleuchtungs-Röntgen-Holographie (SIXH auf Englisch) bezeichnen. SIXH wird neue Erkenntnisse in der Röntgenmikroskopie liefern, aber noch wichtiger ist, dass es aktuelle und zukünftige Röntgenquellen mit hoher Kohärenz kritisch nutzt. Daher wird es weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis von Quantenfestkörpern und der Röntgenforschung im Allgemeinen haben, wobei weitreichende Anwendungen über die Physik der harten kondensierten Materie hinausgehen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Riccardo Comin