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Physikalisches Institut

Juniorprofessur Ultraschnelle Dynamik – Professor Dr. Georg Herink

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Forschungsgebiete

Unsere Arbeitsgruppe erforscht ultraschnelle Phänomene in Materialien und nichtlineare Licht-Materie-Wechselwirkungen. Wir nutzen Lichtpulse vom sichtbaren bis zum fernen infraroten (Terahertz) Spektrum als zentrales Werkzeug, um Prozesse zu induzieren, abzutasten und zu kontrollieren. An der Schnittstelle von Ultrakurzzeit-Spektroskopie, Nanooptik und Materialwissenschaften entwickeln wir dabei Instrumente, die es erlauben Kurzzeitprozesse räumlich sowie spektral aufgelöst zu „filmen“.


Aktuelle Forschungsaktivitäten gliedern sich in drei Schwerpunkte:

  • Terahertz-Starkfeld Physik: Feldgetriebene nichtlineare Phänomene in Festkörpern und Nanostrukturen

  • Nichtlineare Optik und Echtzeitspektroskopie: Wechselwirkungen zeitlicher Solitonen, schnelle und nicht-reversible Prozesse

  • Zeitaufgelöste Terahertz-Dynamik: Pump-Probe Spektroskopie an komplexen Nanomaterialien


Aktuelle Highlights:

  • Quantum-probe Field Microscope (QFIM) für Terahertz-Nahfelder

Stark nichtlineare Wechselwirkungen von Licht mit Materie, elementare Anregungen in Festkörpern oder zukünftige multi-Terahertz-Bauelemente lassen sich phasenempfindlich von dem elektrischen Feld der Lichtwellen treiben. Um diese ultraschnellen Prozesse in Probensystemen exakt verfolgen zu können, wurde in unserer Arbeitsgruppe ein neuartiges Mikroskop für elektrische Felder entwickelt: Das Quantum-probe Field Microscope (QFIM) nutzt Halbleiter-Quantenpunkte als feldempfindliche Beschichtung, mit der wir ultraschnelle Filme elektrischer Feldverteilungen aufzeichnen können. Hiermit erhalten wir Einblicke in die Funktion ultraschneller elektronischer THz-Bauteile, in aktive Metamaterialien und Anregungen komplexer Materialsysteme.

Hierfür erzeugt ein phasenstabiler Einzelzyklen-Puls im Terahertz-Spektrum (1 THz = 1e12 Hz) lokale Nahfelder, die mittels ultrakurzer sichtbarer Femtosekunden-Pulse zeitlich abgetastet werden: Auf Grundlage des Quantum-confined Stark Effekts moduliert das THz-Feld die Lumineszenz der Quantenpunkte, die ein optisches Fluoreszenzmikroskop stroboskopisch abbildet. Das Ergebnis sind ultraschnelle „Filme“ elektrischer Felder, z.B. aus dem Inneren einer asymmetrischen THz-Dipolantenne wie im Video links dargestellt.

Während typische Nahfeldmikroskope auf empfindlichen Nanospitzen basieren, lassen sich mit speziellen „Quantum-Probes“ sehr robuste Sensor-Beschichtungen realisieren, um Einblicke in die Dynamik stark angeregter Materialsysteme, hoch-nichtlinearer Phänomene und ultraschneller Bauteile in-operando zu erhalten.

Moritz B. Heindl, et al.: Ultrafast imaging of terahertz electric waveforms using quantum dots, Light: Science & Applications (2022), https://doi.org/10.1038/s41377-021-00693-5

Siehe auch die Pressemitteilung: https://www.uni-bayreuth.de/pressemitteilung/ultraschnelle-videokamera

  • Nichtlineare Solitonen-Dynamik: Intracavity Raman-Streuung und Zeitbereichs-Spektroskopie  

Formstabile Pulse, sogenannte „Solitonen“, entstehen durch Nichtlinearitäten in einer Vielzahl angeregter Systeme – von Wasseroberflächen über magnetische Anregungen bis hin zu Lichtblitzen in optischen Glasfasern. Wir untersuchen die Erzeugung und Wechselwirkung optischer Solitonen in aktiven nichtlinearen Systemen. In Ultrakurzpuls-Lichtquellen lassen sich besonderes spannende Verbindungen – zeitliche Solitonen-Moleküle – beobachten. Diese ermöglichen eine Art „Solitonen-Chemie“ mit schaltbaren Verbindungen, endlos schwingenden Pulsabständen oder Bildung regelmäßiger „Kristalle“ aus Femtosekundenpulsen. Die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Solitonen sind außergewöhnlich vielfältig und bislang noch unvollständig verstanden.

In einer aktuellen Arbeit konnten wir einen zentralen und neuartigen Mechanismus zur Kopplung von optischen Solitonen mit kohärenten Terahertz-Phononen entdecken und erklären: Ein vorauseilender Puls regt mittels impulsiver Raman-Streuung im Laserkristall eines Ultrakurzpulslasers kollektive Gitterschwingungen an. Diese klingen über die Dauer einiger Pikosekunden wieder ab – und können währenddessen von einem nachfolgenden Puls abgetastet werden, während er den vorauseilenden Puls einholt. Schließlich kann der zweite Puls an den Schwingungsmaxima der Phononenschwebung festgehalten und stabil gebunden werden. Dieser Prozess erklärt eine Vielzahl von Beobachtungen, die seit Jahrzehnten in diversen Laserquellen beobachtet werden. Insbesondere folgt hieraus direkt eine neue Hochgeschwindigkeits-Realisierung zur Intracavity Raman-Spektroskopie von Phononen-Anregungen in der Zeitdomäne. Eine physikalische Realisierung der Fourier-Transformation ermöglicht extrem schnelle optische Echtzeit-Spektroskopie und bildet die experimentelle Grundlage für diese Studien. 

Alexandra Völkel, Luca Nimmesgern, Adam Mielnik-Pyszczorski, Timo Wirth, Georg Herink: Intracavity Raman Scattering couples Soliton Molecules with Terahertz Phonons. Nature Communications 13, 2066 (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-29649-y

Siehe auch die Pressemitteilung: https://www.uni-bayreuth.de/pressemitteilung/solitonen  

Im Gegensatz zu den ultrakurzen Bindungen durch den Raman-Effekt werden in Femtosekunden-Faserlasern hingegen oft Solitonen mit Abständen von mehreren Pikosekunden bis Nanosekunden beobachtet. Hier ergibt sich die Kopplung meist durch die Überlagerung einer sehr schwachen Reflektion des ersten Pulses mit einem nachfolgenden Puls. Im Falle mehrerer Reflektionen kann man durch kurze Leistungsmodulationen schnell zwischen diesen Zuständen schalten: Damit stehen schaltbare Pulspaare für die zeitaufgelöste Spektroskopie zur Verfügung, wie wir kürzlich demonstrieren konnten:

Luca Nimmesgern, Cornelius Beckh, Hannes Kempf, Alfred Leitenstorfer, and Georg Herink, "Soliton molecules in femtosecond fiber lasers: universal binding mechanism and direct electronic control," Optica 8, 1334-1339 (2021).


Unsere Forschung wird gefördert von der DFG und dem Bayerisch-Kalifornischen Hochschulzentrum (BaCaTeC).


Verantwortlich für die Redaktion: Juniorprofessor Georg Herink

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