Messplatz für nichtlineare Multi-Terahertz-Spektroskopie

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497211903

Es soll ein Messplatz für nichtlineare Multi-Terahertz-Spektroskopie an kondensierter Materie aufgebaut werden. Zentrales Werkzeug sind dabei intensive Femtosekunden-Laserpulse mit durchstimmbarer Zentralfrequenz vom ferninfraroten bis in den sichtbaren Spektralbereich. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf elektromagnetischen Pulsen im Multi-Terahertz (THz)-Fenster mit Zentralfrequenzen von 1 bis 50 THz und Feldstärken von 10 MV/cm bzw. 3 T und mehr. Mit diesen Pulsen sollen in Festkörpern gezielt Dynamiken der Elektronen, der Elektronenspins und des Kristallgitters ausgelöst als auch abgefragt werden. Ziel dieses Pump-Probe-Ansatzes ist es, die zugrundeliegenden Wechselwirkungsmechanismen zwischen den verschiedenen Freiheitsgraden zu entschlüsseln und zu verstehen. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist die Kopplung zwischen magnetischer Ordnung und Kristallgitterschwingungen (Phononen). Wir werden mit demselben Ansatz auch Flüssigkeiten untersuchen, um neue Einblicke in die kollektiven Bewegungen von Molekülen und ihre Kopplungen zu gewinnen. Langfristige potentielle Anwendungen dieser Experimente sind das gezielte Schreiben und der gezielte Transport von magnetischer Information in Festkörpern sowie das Präparieren neuer Zustände von Flüssigkeiten, die z.B. effizientere chemische Reaktionen ermöglichen. Für den Aufbau eines solchen Messplatzes werden (i) Quellen intensiver Laserpulse im optischen, infraroten und THz-Spektralbereich, (ii) Komponenten zur Charakterisierung und Hinführung dieser Pulse zum Experiment sowie (iii) Komponenten zur rauscharmen Detektion und computergestützten Akquisition der Messsignale benötigt. Der Aufbau von (i) erfordert ein verstärktes Titan:Saphir-Lasersystem (Pulsenergie ~7 mJ, Pulsdauer 35 fs, Pulswiederholrate 1 kHz, Zentralwellenlänge 800 nm) mit zwei nachfolgenden infrarot-optischen parametrischen Verstärkern (Wellenlängenbereich 1.16-1.6 µm und 1.6-2.6 µm für Signal bzw. Idler, Konversionseffizienz 25% für Signal+Idler) und zwei Frequenzmischern (Summen- und Differenzfrequenz) sowie geeignete nichtlinear-optische Kristalle und optische und optomechanische Komponenten (z.B. Spiegel, Linsen, Polarisationsoptiken und Translations- und Rotationstische). Für (ii) sind Leistungsmessgeräte, Spektrometer, ein Autokorrelator und Kameras notwendig, während (iii) Komponenten wie Photodetektoren, Oszilloskope, elektrische Verstärker und Hardware für computergestützte Datenakquisition erfordert. Der beantragte Messplatz ist für die Durchführung von laufenden, beantragten und geplanten Drittmittelprojekten essentiell. Da die Arbeitsgruppe über erhebliche Erfahrungen mit Multi-THz-Pump-Probe-Experimenten verfügt, wird mit einem schnellen Aufbau des Messplatzes gerechnet.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Messplatz für nichtlineare Multi-Terahertz-Spektroskopie
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Freie Universität Berlin
• Leiter: Professor Dr. Tobias Kampfrath