Titan-Saphir-basiertes Femtosekundenlaserverstärkersystem

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460729500

Das beantragte Lasersystem erzeugt 35 fs kurze optische Impulse mit Impulsenergien von 4,5 mJ bei einer Zentralwellenlänge von 800 nm und einer Repetitionsrate von 3 kHz. Mit der Fundamentalen des Lasers sollen starke Terahertz (THz)-Impulse erzeugt werden, die bei Feldstärken von jenseits von 1 MV/cm nur aus einem einzelnen Oszillationszyklus des elektrischen Feldes bestehen. Zusätzlich dient der beantragte optisch-parametrische Verstärker zum Erzeugen von durchstimmbaren, phasenstabilen Mittelinfrarotimpulsen mit Feldstärken von bis zu 100 MV/cm. Lineare Transmissionsmessungen, Hochfeldspektroskopie und zweidimensionale Spektroskopie werden dabei mittels Zeitdomänenspektroskopie – dem Abtasten der instantanen Feldstärke als Funktion der Zeit – ermöglicht werden. Zusätzlich wird separat ein Magnetkryostatsystem beantragt werden, welches Messungen bei hohen Magnetfeldern und kryogenen Temperaturen ermöglichen soll. Unsere Gruppe untersucht extreme Grenzbereiche der Wechselwirkung von Licht und Materie, in denen optische Nichtlinearitäten auf Subzyklenskalen, also schneller als eine Oszillationsperiode des Lichtfeldes, auftreten. Zu unseren kürzlichen Ergebnissen zählen dynamische Blochoszillationen und die Erzeugung hoher Harmonischer in Festkörpern, Lichtwellenbeschleunigung von Dirac-Oberflächenelektronen von topologischen Materialien, minimal dissipatives Schalten von Spins, nicht-perturbative Dynamik von Landau-Elektronen jenseits von Kohn’s Theorem, und nicht-adiabatische Kontrolle von extrem stark Licht-Materie-gekoppelten Elektronen in THz-Resonatoren.Mit dem beantragten Lasersystem werden wir diese Forschungsaktivitäten ausbauen und in neue Grenzbereiche der Subzyklenphysik in Festkörperstrukturen vorstoßen. Jüngste Experimente zur Elektrodynamik in Resonatoren (cQED) haben gezeigt, wie Vakuummoden gezielt zur Kontrolle elektronischen Transports, chemischer Reaktionen, oder Supraleitung im Gleichgewicht eingesetzt werden können. Unsere Gruppe wird die Nichtgleichgewichtsdynamik ultrastark Licht-Materie-gekoppelter Systeme erstmalig erforschen und dabei die Kopplungsstärke auf Basis unserer etablierten Landau-Elektronensysteme optimieren, sodass die Vakuum-Rabifrequenz die Trägerfrequenz des Lichtfeldes um mehr als einen Faktor 2 übersteigt. Darüber hinaus werden wir Nichtlinearitäten von ultrastark gekoppelten Intersubbandübergängen sowie neuartige Konzepte der cQED wie supraleitende Systeme oder Übergangsmetalldichalcogenide miteinbeziehen. Von der systematischen Exploration des Übergangs von linearen zu nicht-perturbativ nichtlinearen Effekten erwarten wir dabei eine Fülle neuartiger Dynamik wie beispielsweise Nichtlinearitäten hoher Ordnung, nichtklassische Lichtzustände, die Erzeugung neuer Resonanzen durch Nichtlinearitäten, sowie Phasenübergange. Die Aufschlüsselung der hierbei relevanten Quantendynamik wird maßgeblich durch Subzyklen-Zeitauflösung ermöglicht werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Titan-Saphir-basiertes Femtosekundenlaserverstärkersystem
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Technische Universität Dortmund
• Leiter: Professor Dr. Christoph Lange