Zeitaufgelöste Photoemissions-Impulsmikroskopie der nächsten Generation

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Mathias; Professor Dr. Gerd Schönhense
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567214325

Die Erweiterung der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie (ARPES) zur Impulsmikroskopie, die den 3D-Zugang zur elektronischen Struktur eines Materials in einer einzigen Messung ermöglicht, revolutioniert derzeit verschiedenste Bereiche aktueller Forschung in der Festkörperphysik. Eine besonders erfolgreiche Anwendung dieser neuen Technik ist die ultraschnelle zeitaufgelöste Impulsmikroskopie, mit der mehrere Forschungsgruppen, darunter auch die PIs dieses Antrags, in den letzten Jahren bahnbrechende Forschungsergebnisse erzielt haben. Allerdings wurden diese Impulsmikroskope bisher für den Einsatz an Synchrotronquellen mit hohen Photonenenergien optimiert, was erhebliche Herausforderungen bei der Adaption für die zeitaufgelöste Impulsmikroskopie mit Kurzpuls- Quellen im extremen Ultraviolett (EUV) mit sich bringt. Insbesondere die große Anzahl von Photoelektronen, die auf ultraschnellen Zeitskalen (Femtosekunden) und von kleinen Probenoberflächen (Mikrometerbereich) durch Pump- und Probepulse emittiert werden, führen in Kombination mit großen elektrischen Feldern zwischen Probe und Extraktor des Mikroskops zu Raumladungseffekten, die die experimentellen Möglichkeiten stark einschränken. Zusätzlich können lokale Feldverstärkungen an scharfen Probenkanten (z.B. von gespaltenen Proben) und hohe lokale elektrische Felder an Nanostrukturen zu Feldemission und Überschlägen führen. Aufgrund der rasanten Fortschritte in der zeitaufgelösten HHG (Hohe Harmonische Generation)-basierten Impulsmikroskopie und der weltweit zunehmenden Verbreitung von Impulsmikroskopen besteht ein dringender Bedarf an einer neuen Generation dieser Geräte. Diese sollten so konstruiert sein, dass sie mit geringeren elektrischen Feldern zwischen Probe und Extraktor arbeiten können und gleichzeitig eine hohe Orts- und Impulsauflösung sowie ein ausreichend großes Gesichtsfeld bieten. Unser Antrag zielt auf die Entwicklung, Erprobung und Verbesserung eines speziell konstruierten Impulsmikroskops, welches eine neuartige Objektivlinse zwischen Probe und Extraktor verwendet. Dieses Mikroskop ist so optimiert, dass es die Raumladung unterdrückt und gleichzeitig eine hohe räumliche Auflösung und Impulsauflösung mit einem großen Gesichtsfeld bei EUV-Energien bietet. Daher erwarten wir, dass dieses System ideal mit Kurzpuls-Lichtquellen im EUV-Bereich und für zeitaufgelöste Impulsmikroskopie-Experimente funktioniert. Unter Verwendung der Kurzpuls-HHG-Lichtquelle in der AG Mathias mit Photonenenergien bis in den 100 eV-Bereich werden wir die Abbildungseigenschaften des neuen Impulsmikroskops quantifizieren und in einer Reihe von Schlüsselexperimenten zu ultraschnellen Phänomenen in Quantenmaterialien demonstrieren. Wir sind zuversichtlich, dass unsere Ergebnisse die Entwicklung der zeitaufgelösten Impulsmikroskopie beschleunigen, ihre Anwendungen erweitern, und die Bearbeitung weiterer wissenschaftlicher Fragestellungen ermöglichen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen