Ultraschnelles Rastersondenmikroskop

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544202205

Ziel dieses Antrags ist die Realisierung eines ultraschnellen Rastersondenmikroskops, dass es ermöglicht die Dynamik elektromagnetischer Felder in (einzelnen) Nanostrukturen mit ultrahoher räumlicher - im Idealfall atomarer - Auflösung und ultrahoher zeitlicher Auflösung im sub-Femtosekunden Bereich zu vermessen. Dieses adressiert ein zentrales, bisher nicht zufriedengestellt gelöstes Problem der Nano-Optik. Vor kurzem ist hierzu von den Antragstellern ein neuer Ansatz entwickelt worden, der auf der phasenaufgelösten Detektion der kohärenten Lichtstreuung an Rastersondenspitzen in einem sehr breiten Spektralbereich besteht. Eine Fourieranalyse erlaubt die Bestimmung der zeitlichen Struktur des von dem gekoppelten Spit-ze-Probe-System emittierten elektromagnetischen Feldes mit sub-Femtosekunden Auflösung. Durch Detektion mit einer sehr schnellen Kamera gelingt es, Veränderungen der Feldstruktur bei der Variation des Spitze-Probe-Abstands aufzulösen und damit die dreidimensionale Struktur des optischen Nahfelds zu rekonstruieren. Dieses ermöglicht eine präzise Charakterisierung der wichtigen Spitze-Probe-Wechselwirkung, was von zentraler Bedeutung für eine quantitative theoretische Beschreibung der spektroskopischen Signale ist. Vereinfacht gesprochen stellt das Messverfahren ein ultraschnelles Nano-Oszilloskop dar. Der Ansatz konnte bisher von uns nur bei Raumtemperatur und unter Umgebungsbedingungen getestet werden. Dieses begrenzt die räumliche Auflösung bisher auf einige Nanometer. Um das Verfahren erfolgreich zur Charakterisierung einzelner Nanostrukturen einzusetzen, ist es wesentlich, die Messungen unter kontrollierten Umgebungsbedingungen und bei tiefen Temperaturen durchführen zu können. Wir erwarten, dass dieses auch eine weitere deutliche Verbesserung der erreichbaren räumlichen Auflösung ermöglicht. Um entsprechende Experimente durchzuführen, wird ein Tieftemperatur-Rastersondenmikroskop beantragt. Es wird ermöglichen, an der gleichen Nanostruktur kohärente Lichtstreu- und Rastertunnel-Lumineszenz-Spektren zu vermessen und damit sowohl die optische Anregung als auch die Emission der Nanostruktur zu charakterisieren. Dieser neue Ansatz soll in Kooperation mit der AG Schneider zur Unter-suchung einzelner Einzelphotonenemitter in Übergangsmetall-Dichalkogenid Monolagen genutzt werden. Das neue Mikroskop soll auch einen neuartigen Zugang zur ortsaufgelösten Spektroskopie stark gekoppelter Exziton-Plasmon-Systeme und damit zum Verständnis der Rolle heller und dunkler Exzitonzustände und zur Modifikation des exzitonischen Transports in solchen Systemen bieten. Schließlich erwarten wir, dass das neuentwickelte Nano-Oszilloskop ermöglichen wird, zeitaufgelöste, nichtlineare optische Experimente an einzelnen Nanostrukturen durchzuführen und damit die Dynamik von Nichtgleichgewichtsanregungen zu verfolgen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Ultraschnelles Rastersondenmikroskop
• Gerätegruppe: 5091 Rasterkraft-Mikroskope
• Antragstellende Institution: Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
• Leiter: Professor Christoph Lienau, Ph.D.