Ultrakurzzeit Extrem-Ultraviolett Lasertechnologie

Dieses Forschungsprojekt hat die erstmalige Anwendung extrem-ultravioletter (EUV) Femtosekunden- (fs) Laserpulse für spektroskopische Untersuchungen an dotierten supraflüssigen Helium-nanotröpchen (HeN) zum Ziel. Experimente, welche dynamische Prozesse in einer ultrakalten (0.4 K), supraflüssigen Umgebung untersuchen werden, sollen am Institut für Experimentalphysik der TU Graz durchgeführt werden. Mit einem einjährigen Forschungsaufenthalt am PULSE Institute der Universität Stanford (Vorstand Philip Bucksbaum) in der Gruppe von Markus Gühr, soll der Bewerber die nötige Expertise auf den Gebieten der Ultrakurzzeit-Laserphysik und der Spektroskopie mit hochenergetischen Photonen, d.h. hohen Harmonischen der Laserfrequenz, erlangen. Bei dieser Kollaboration werden neuartige zeitaufgelöste Studien von fotoinduzierten chemischen Reaktionen durchgeführt, wobei fs UV-pump/EUV-probe Techniken zum Einsatz kommen. Konkret werden katalytische Prozesse in metallorganischen Molekülen in Gasphase, sowie eingelagert in Quantenmatrizen, untersucht. Das Novum liegt dabei in der Anregung von inneren Schalenelektronen, anstelle von sonst üblichen Valenzelektronen, was durch die hohe Photonenenergie ermöglicht wird. Das in Stanford erlernte Know-how wird es dem Antragsteller ermöglichen, nach seiner Rückkehr nach Graz erstmals fs-EUV Spektroskopie auf kalte Aggregate und Cluster, welche in HeN produziert werden, anzuwenden. In der Rückkehrphase wird er in Graz ein ultraschnelles Laserlabor errichten, darüber hinaus plant er seine Habilitation auf diese neue Forschungsrichtung aufzubauen. Fortwährende Kooperation mit Stanford wird für permanenten Wissensaustausch und gemeinsame Experimente sorgen. Femtosekunden-Laserspektroskopie ist eine überaus mächtige Methode um ultraschnelle dynamische Prozesse, wie z.B. chemische Reaktionen, in Molekülen, Aggregaten und Clustern direkt und in "Echtzeit" zu beobachten. Die Erzeugung hoher Harmonischer erweitert die zur Verfügung stehende Photonenenergie in den Vakuum-UV und EUV Bereich und ermöglicht so den Zugriff auf stärker gebundene innere Schalenelektronen, welche oftmals strukturelle, magnetische oder chemische Informationen enthalten, die über Valenzelektronen nicht zugänglich sind. HeN haben in den letzten Jahren für viele Forschungsrichtungen aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften an Bedeutung gewonnen. Sie ermöglichen die Isolation und nahezu wechselwirkungsfreie Untersuchung einzelner Teilchen ebenso wie die kontrollierte und maßgeschneiderte Synthese von Aggregaten und Clustern, beides in einer kalten, supraflüssigen Umgebung. Trotz ihrer herausragenden Vorteile wurden diese beiden Methoden noch nicht kombiniert. Die ersten fs-HHG Experimente an dotierten HeN, die im Zuge dieses Forschungsprojekts durchgeführt werden, stellen somit eine substantiell neue Methode für dynamische Untersuchungen von Aggregaten und Clustern bei tiefen Temperaturen dar.

Während seines Erwin-Schrödinger-Auslandsstipendiums am SLAC/Stanford University PULSE Institute in der Gruppe von Dr. Markus Gühr konstruierte der Stipendiat ein neuartiges Spektrometer für Ultrakurzzeit-Molekülspektroskopie, das auf extreme ultravioletten laserpulsen basiert, und führte damit zeitaufgelöste Moleküldynamikstudien durch.Die Wechselwirkung von Licht mit Molekülen und Festkörpern ist von zentraler Bedeutung für viele biologische oder technologische Prozesse. Die Umwandlung der Anregungsenergie (Photonenenrgie) in chemische Energie, ist zum Beispiel die Basis für den Sehprozess im Auge oder die Umwandlung von Sonnenergie. Trotz der Wichtigkeit solcher Prozesse sind sie teilweise noch nicht völlig geklärt, auch aufgrund der Tatsache, dass sie im Piko- und Femtosekundenbereich (1 ps = 10-12 s, 1 fs = 10-15 s) ablaufen und mit konventionellen Spektroskopiemethoden nicht vollständig zu untersuchen sind. Die Entwicklung von Femtosekundenlasern ermöglicht nun einen direkten Zugriff auf diese Zeitskalen. Fortschritte auf dem Gebiet der Erzeugung hoher harmonischer Lichtfrequenzen aus Femtosekunden-Laserpulsen, sowie die Entwicklung von Freien-Elektronenlasern haben den Wellenlängenbereich auf extrem ultraviolette Strahlung und weiche Röntgenstrahlung erweitert. Die hohe harmonische Generation ermöglicht es zeitaufgelöste Experimente in diesem Wellenlängenbereich mit einer Zeitauflösung, die dem Entstehen und Aufbrechen molekularer Bildungen entspricht, im kleinen Rahmen eines Laserlabors durchzuführen.Während seines Aufenthaltes konnte der Stipendiat Erfahrungen auf dem Gebiet der Ultrakurzzeit-Laserphysik mit hohen Harmonischen sammeln. Er hat ein Photoelektronen- und Photoionen-Spektrometer, das extrem ultraviolette Laserpulse verwendet, konstruiert und für zeitaufgelöste Molekulardynamik-Experimente verwendet. Mit zeitaufgelösten Experimente am polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoff Perylen konnten die hervorragenden zeitlichen und spektralen Eigenschaften des Aufbaues gezeigt werden. Darüber hinaus gelang es molekulardynamische Relaxationsprozesse nach Anregung mit ultraviolettem Licht nachzuweisen. Der Stipendiat konnte zusätzlich zu diesen labor-basierten Experimenten an zwei Strahlzeiten am Freien-Elektronenlaser Laser LCLS, sowie an zwei Strahlzeiten am Synchrotron ALS teilnehmen. Aus diesen Experimenten werden nach längerfristiger Auswertung der komplexen Daten mehrere Publikationen erwartet. Nach seiner Rückkehr an die TU Graz wird der Stipendiat ein neues Laserlabor für Ultrakurzzeit-Experimente, basierend auf die Erfahrungen aus seinem Auslandsaufenthaltes, aufbauen.