Messplatz für kohärente mehrdimensionale elektronische Spektroskopie

• Fachliche Zuordnung: Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521128316

Ziel dieses Antrags ist der Aufbau eines kohärenten multidimensionalen Spektrometers, das über den sichtbaren Spektralbereich abstimmbar ist, um die elektronische Struktur und Dynamik von Nanomaterialien wie Quantenpunkten, Nanoröhren, 2D-Materialien, J-Aggregaten oder deren Kombination in Heterostrukturen zu untersuchen. Für einen solchen Aufbau sollen phasenstarre Sequenzen von breitbandige (> 100 nm), 10 Femtosekunden-Pulsen erzeugt werden, die im Bereich von 450-750 nm abstimmbar sind. In einem zweidimensionalen elektronischen Spektroskopie (2DES)-Experiment werden die nichtlineare optische Signale als 2D-Spektrum dargestellt, in dem elektronische Kopplungen als Kreuzpeaks erscheinen und die homogenen und inhomogenen Linienformen getrennt werden können. Diese Eigenschaften von 2DES werden genutzt, um die mikroskopischen Kopplungen zwischen elektronischen Anregungen, Phononen und Spins in Nanomaterialien zu quantifizieren. Diese Kopplungen führen zu einer Reihe von Quasiteilchen wie Exzitonen, Multiexzitonen, Polaronen und Polaritonen. Wir möchten Größen wie die Bindungsenergien (z. B. Biexzitonen- und Polaronenbindungsenergien), homogene Linienbreiten, Dephasierungszeiten und Lebensdauern aufdecken. Diese Größen geben Aufschluss über die grundlegende Physik, die der Funktionalität von Geräten zugrunde liegt. Für den Bau eines solchen Spektrometers werden folgende Komponenten benötigt: (i) breitbandige (> 100 nm) Pulse, die über den sichtbaren Bereich mit mehreren Mikrojoule Energie durchstimmbar sind, (ii) Komponenten zur Charakterisierung und Führung der Pulse zur Probe, (iii) Komponenten zur Erzeugung kontrollierbarer phasenstarrender Pulsfolgen und (iv) Komponenten zur rauscharmen Detektion der Signale. Die Umsetzung von (i) erfordert ein verstärktes Ti:Sapph-Lasersystem (Pulsenergie ~5 mJ, Pulsdauer 100 fs, Wiederholrate 1 kHz, zentrale Wellenlänge 800 nm), einen sichtbaren optischen parametrischen Verstärker (OPA, Wellenlängenbereich 475-750 nm) und einen Hohlkernfaseraufbau zur spektralen Verbreiterung der OPA-Pulse. Für die Realisierung von (ii) benötigt man einen selbstgebauten "transient-grating frequency resolved optical gating" Aufbau, Powermeters, ein tragbares Spektrometer, eine kleine Kamera und verschiedene optische Komponenten. Punkt (iii) kann dank programmierbarer kommerzieller Pulsformungstechnologie realisiert werden. Punkt (iv) erfordert einen Spektrographen und einen rauscharmen CCD/CMOS-Sensor. Der geforderte Messplatz würde die Startinfrastruktur für die AG Seiler bilden. Sie wäre nicht nur für die Etablierung der eigenständigen wissenschaftlichen Karriere der Antragstellerin während ihrer Tenure-Track-Zeit, sondern auch für die Durchführung geplanter Drittmittelprojekte, wie z.B. SFBs, unerlässlich. Da die Antragstellerin über umfangreiche Erfahrungen mit dem Bau eines ähnlichen 2DES Spektrometers während ihrer PhD verfügt, sollte der Aufbau effizient durchgeführt werden können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Messplatz für kohärente mehrdimensionale elektronische Spektroskopie
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Freie Universität Berlin
• Leiterin: Professorin Dr. Hélène Seiler