Anregung, Manipulation und Analyse von Einzelelektronensystemen auf der elementaren Femtosekunden-Zeitskala

Hier werden die Studien mit ultrakurzer Zeitauflösung in ein extremes Regime getrieben: Messungen an einzelnen Elektronen. Fernziel dieser Arbeiten ist die ultimative Kontrolle des Quantenzustandes einzelner Elektronen in Festkörper-Nanostrukturen, sowie die Erzeugung neuer Quantenzustände des Lichtfeldes wie zum Beispiel Femtosekunden-Impulse mit einer wohldefinierten und frei wählbaren Anzahl von Photonen.

In den hochempfindlichen Experimenten wird die Probe, z.B. ein Quantenpunkt [1, 2, 3], mit einem ultrakurzen Laserimpuls angeregt und die induzierte Transmissionsänderung nach einer definierten Zeit tDelay mit einem Probeimpuls abgetastet. Der zeitliche Abstand tDelay des Abtastpulses wird mit einer Verzögerungsstrecke eingestellt und sein Spektrum mittels Monochromator und CCD detektiert. Um Aussagen über die Zustände und die Dynamik des Systems zu treffen, werden mehrere Messungen für unterschiedliche Zeiten tDelay durchgeführt wobei die Zeitauflösung durch die Länge der Laserpulse gegeben ist.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau des Pump-Probe-Experiments. Ein Zweifarben-Femtosekunden-Faserlaser erzeugt Lichtimpulse unterschiedlicher Wellenlänge, welche über eine Verzögerungsstrecke mit einem definierten Abstand t<sub>Delay</sub> kollinear auf die Probe geschickt werden. Die Probe wird in einem Heliumkryostaten auf 4 K gekühlt und mittels hochauflösender Optik, Monochromator und Detektor vermessen.

Als Lichtquelle für dieses Experiment wird ein am Lehrstuhl entwickelter, besonders rauscharmer Erbium-Faserlaser [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] verwendet. Ein Strahlteiler sendet die Impulse an zwei parallele Verstärkerstufen, die unabhängig voneinander frequenzverdoppelt werden. Die durchschnittliche Ausgangsleistung liegt im Bereich von einigen mW in einem Abstimmbereich von 540 nm bis 700 nm. Die minimale Impulsdauer ist 180 fs.

Abbildung 2: (links) Foto der beiden Ausgänge des Zweifarben-Femtosekunden-Faserlasers. (rechts) Abstimmbereich der beiden Zweige im sichtbaren Spektralbereich.

Gezieltes Hinzufügen einzelner Photonen zu Femtosekunden-Lichtimpulsen

Das oben beschriebene Experiment ermöglicht es, einzelne Photonen kontrolliert zu Femtosekunden Laserimpulsen hinzuzufügen [11]. Wenn man den Elektronenspin der Probe kontrolliert und die Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen Abtastpuls und Probe erhöht, kann man die präzise Manipulation von Photonenzahlen pro Laserpuls um ± 1 Photon erreichen. Dazu werden in Zukunft ein 5 T-Magnetkryostat und verschiedene nanoplasmonische [12, 13, 14, 15] und photonische Strukturen [16, 17, 18] verwendet.

Abbildung 3: (links) Rasterelektronenaufname eines Pfostenresonators. Diese photonische Struktur wird nach dem Sputtern von TiO2 und SiO2 mit dem fokussierten Ionenstrahl hergestellt. (rechts) Rasterelektronenmikroskopische Aufnamen verschiedener plasmonischer Strukturen. Diese werden per Elektronenstrahllithographie mit einer Präzision von bis zu 15 nm realisiert.

Referenzen

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Forschungsförderung Ultraschnelle Nano-Optik