Flugzeit-Impulsmikroskop

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567410469

Lichtwellen-Elektronik könnte künftige Informationsverarbeitung bei optischen Taktraten und somit hundertausendfach schneller als kommerzielle CMOS-Technologie ermöglichen. Die zentrale Idee dabei ist, das Trägerfeld intensiver Lichtimpulse als Wechselfeld einzusetzen, mit dem Elektronen schneller als eine Oszillationsperiode von Licht kontrolliert werden können. Selbst im dichten Vielteilchensystem eines Festkörpers können Elektronen auf derart kurzen Zeitskalen kaum streuen. So eröffnet Lichtwellen-Elektronik ein einzigartiges Fenster in eine vollkommen kohärente Quantenwelt. Das beantragte Flugzeit-Impulsmikroskop soll eingesetzt werden, um die Quantenbewegung Lichtwellenbeschleunigter Elektronen direkt in der Bandstruktur zu beobachten. Das Photoelektronen-Spektrometer wird hierfür zusammen mit einem bereits bestehenden Hochleistungsultrakurzpuls-Lasersystem betrieben, das gleichzeitig phasenstarre hochintensive Terahertz- und Mittelinfrarotimpulse, Vakuumultraviolett-Abtastimpulse und durchstimmbare ultrakurze Anregungsimpulse im sichtbaren Spektralbereich erzeugt. So wird ein einzigartiger Messplatz für Subzyklen-Bandstruktur-Videographie kristalliner Festkörper entstehen. Im Gegensatz zu winkelaufgelöster Photoelektronen-Spektroskopie (englisch: angle-resolved photoelectron spectroscopy, kurz: ARPES) mit hemisphärischen Elektronenanalysatoren wird das Flugzeit-Impulsmikroskop die elektronische Bandstruktur kristalliner Festkörper über die gesamte erste Brillouinzone auf einmal abbilden. Aufbauend auf unseren jüngsten Subzyklen-ARPES-Experimenten [Nature 562, 396 (2018), Nature 616, 696 (2023)] sollen erstmals Femtosekunden-Zeitlupenfilme von Elektronen aufgenommen werden, die durch das elektrische Trägerfeld von Licht durch die gesamte Band-struktur von Festkörpern getrieben werden. In einer Vielfalt moderner Quantenmaterialien wie Graphen, Übergangsmetall-Dichalkogeniden, van der Waals-Heterostrukturen, topologischen Isolatoren, chiralen Weyl-Halbmetallen und korrelierten Elektronensystemen können so Kernaspekte ultraschneller Elektronendynamik direkt auf den relevanten Zeit-, Impuls- und Energieskalen aufgeklärt werden. Beispiele sind die Beobachtung von dynamischen Bloch-Oszillationen, relativistischer Zitterbewegung, ultraschneller Schaltdynamik des Valley-Pseudospins oder Phasenübergängen in stark korrelierten Elektronensystemen direkt in der Bandstruktur. Das Flugzeit-Impulsmikroskop ist ein strategisches Schlüsselelement für die Erforschung emergent relativistischer Effekte in kondensierter Materie an der Universität Regensburg. Die Beschaffung wird daher insbesondere den Sonderforschungsbereich 1277, aber auch das Graduiertenkolleg 2905 stärken.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Flugzeit-Impulsmikroskop
• Gerätegruppe: 1780 Photoelektronenspektrometer (UPS und XPS)
• Antragstellende Institution: Universität Regensburg
• Leiter: Professor Dr. Rupert Huber