Investigation of ultrafast processes in nanolocalized electromagnetic fields
Keywords in Hungarian
fizika, ultragyors folyamatok, plazmonika
Keywords in English
physics, ultrafast science, plasmonics
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Optics
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Applied and Nonlinear Optics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Starting date
2014-09-01
Closing date
2017-11-30
Funding (in million HUF)
18.924
FTE (full time equivalent)
2.55
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A projekt egyik fő célkitűzése a fotoemisszió és elektrongyorsítás folyamatának kísérleti vizsgálata nanolokalizált elektromágneses terekben ultragyors femtoszekundumos fényforrások alkalmazásával. Ezen folyamatokat különböző fém nanostruktúrákon keltett lokalizált plazmonok felhasználásával fogom vizsgálni. Spektrálisan és emissziós szög szerint felbontott méréseket fogok végrehajtani egy leképező spektrométerrel (retardáló tér felhasználásával), ami egy konfokális rácselrendezés és egy mikrocsatornás lemezdetektor (MCP) kombinációja. Emellett az erősen lecsengő elektromágneses térben végbemenő elektrongyorsítás jobb megértésének céljából numerikus modellezést is fogok végezni. Továbbá a közeltér keltette nemlineáris effektusokat fogom tanulmányozni nanostrukurált és sík felületen pásztázó alagútmikroszkópiával. Ez a munka részben azoknak a sikeres kutatásoknak a folytatása, melyeket a Wigner Fizikai Kutatóközpontban végeztem és az elmúlt években több magas színvonalú publikációt eredményeztek (pl. a Nano Letters, és a Phys. Rev A/B folyóiratokban megjelent munkákat).
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Szeretném jobban megérteni a kísérletileg megfigyelt, a felületi plazmonok által erősített elektrongyorsítás alapjául szolgáló folyamatokat. Ehhez számos kísérleti és numerikus módszer áll rendelkezésre ideértve az elektron spektroszkópiát és leképezést, melyekkel közvetve további információk nyerhetőek (i) ultrarövid elektronimpulzusok nanoméretű skálán végbemenő viselkedéséről és a (ii) plazmonikus fotoemisszió és elektrongyorsítási folyamat femtoszekundumos skálán bekövetkező időbeli fejlődéséről. A kutatás másik fő kérdései közé tartozik, a gyorsított elektronok szerepe a THz-es sugárzás keltésében fém nanorészecskékről (egy nemrég kísérletileg megfigyelt jelenség) valamint a gyorsítás során visszaszórást elszenvedő elektronok szerepének tisztázása.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Ez a kutatás hozzájárulhat új egyedülálló elektronforrások és nanoméretű elektron emitterek fejlesztésében. Ezek elősegíthetik ultragyors elektrondiffrakciós módszerekhez fejlesztett elektronforrások létrehozását mint például fotoinjektor rendszerek lineáris gyorsítókhoz és szabadelektron-lézerekhez. Ezek az alkalmazások az ultragyors vizsgálati módszerek és a kutatási nagyberendezések terén elvezethetnek számos lehetséges kémiai, biológiai és anyagtudományi alkalmazáshoz is. A fém nanostruktúrák vizsgálata fontos szerepet játszik a fotovoltanikában, új rákterápiás módszer fejlesztésében és számos más alkalmazás terén.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A kutatás célja, hogy fém nanostuktúrákról extrém rövid elektronkibocsátási folyamatokat nagy részletességgel vizsgáljon. Célom az elektonemissziós folyamat jobb megértése mind nagyon rövid időskálán (10^-15 másodperc), mind nagyon kicsi térbeli skálán (néhány nanométer). A fém nanostruktúrák alapkutatása fontos, mivel ezek a nanorészecskék nagyon lényeges szerepet játszhatnak nagy hatásfokú napelemek és egy új rákterápiás módszer fejlesztésében is (csak hogy néhány példát említsünk), viszont az ezekben létrejövő kollektív elektronoszcillációk felépülése mindezidáig nem tisztázott. Ezen alapvető gerjesztési folyamat időbeli fejlődésének a jobb megértése pedig előremozdíthatja az alkalmazások fejlesztését is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. One of the main objectives of the project is to investigate photoemission and electron acceleration processes in nanolocalized electromagnetic fields generated by ultrafast, femtosecond light sources experimentally. In these experiments localized plasmons will be generated at different types of metallic nanoparticles. I will carry out spectrally and angularly resolved measurements by imaging retarding field spectroscopy by combining a confocal grid construction and a multichannel plate detector. I will perform numerical calculations for the deeper understanding of the electron acceleration process in strongly decaying surface plasmon fields. Moreover, I will study the near field and field generated nonlinear effects on nanostuctured and planar interfaces by scanning tunneling microscopy. This work is a partial continuation of successful research at the Wigner Research Centre for Physics, resulting in several high-profile publications in recent years (including Nano Lett. and Phys. Rev. A/B papers).
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. I would like to gain deeper understanding of the underlying mechanisms of the experimentally observed surface plasmon enhanced electron acceleration process. This will be done with a number of experimental and numerical methods including electron spectroscopy and imaging with which further information can be gained indirectly (i) on the behavior of ultrashort electron pulses on the nanoscale, in the vicinity of metallic nanopartciles and (ii) on the temporal evolution of the plamonic photoemission/photoacceleration process on a femtosecond time scale. The other main questions of the research is the role of these accelerated electrons in the generation of THz radiation from metal nanoparticles (recently observed experimentally), and the clarification of the influence of the rescattered electrons during this process.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. This research could contribute to the development of new, unique ultrafast electron sources and electron nanoemitters. These can have numerous applications in providing electron sources for ultrafast electron diffraction methods as well as in photoinjector schemes for linear accelerators and free electron lasers. These applications in ultrafast methods and large scale facilities involve numerous chemical, biological and materials science applications. The metallic nanostructures investigated play important role in photovoltaics, novel cancer therapy methods and a number of other applications.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The research aims at investigating extremely fast electron emission processes from metallic nanostructures in greater detail. I plan to gain information on electron emission processes both on very short timescales (10^-15 seconds) and on very small spatial scales (few nanometers). Basic research on the metallic nanostructures investigated is important, as these nanoparticles already play an important role in high-efficiency solar cells and novel cancer therapy methods (to name a few), however, it is not known how collective electron oscillations build up in them. By getting more information on the time evolution of these basic excitation processes, the applications above should also be moved forward.
Final report
Results in Hungarian
Nemlineáris plazmonikus fotoemissziót vizsgáltam különböző kísérleti összeállításokban. Először a fotoemissziót vékonyréteg filmen keltettem 3,1 mikronos közép vörös hullámhosszú impulzusokkal. Több fotonos és alagút emisszió közötti átmenetet korábban nem tapasztalt alacsony intenzitáson sikerült demonstrálni. Továbbiakban vizsgáltam a felületi érdesség hatását az ultragyors plazmonikus fotoemisszióra különböző érdességgel rendelkező ezüst vékonyrétegeken. Megállapítható volt, hogy a legnagyobb energiájú elektronok a legnagyobb érdességgel jellemezhető mintáról érkeztek a mérések során. Végül a projekt talán legjelentősebb eredménye, hogy egy új mérési eljárást dolgoztunk ki és hitelesítettünk a maximális plazmonikus térerősítésre vonatkozóan az ultragyors fotoemisszióra és gyorsítási folyamatra alapozva. A változatos mintákon mért térerősítések jó egyezést mutattak a Maxwell egyenletek numerikus megoldásán alapuló eredményekkel A továbbiakban vizsgáltam a felületről visszaszóródó elektronok valamint a tükörtöltés hatását a fotoemisszióra és elektrongyorsítási folyamatra egy az ezen jelenségekre vonatkozó saját modell megalkotásával. Az eredmények alátámasztják, hogy alapvetően a visszaszóródott elektronok határozzák meg a maximális kinetikus energiát, másrészről azt, hogy a tükörtöltésnek nincs szignifikáns hatása. Végül plazmonok diszperzióját tanulmányoztuk a nagy lézerintenzitásoknál. A munka során diszperzió oszcilláló jellegét igazoltuk az intenzitás függvényében.
Results in English
Nonlinear plasmonic photoemission was investigated in difference configurations. First the photoemission was induced from plasmonic films with femtosecond, mid-infrared pulses at 3.1 micron wavelength. The transition between multi-photon induced and tunneling emission was demonstrated at an unprecedentedly low intensity Furthermore the influence of surface roughness was investigated in connection with the ultrafast plasmonic electron emission from Ag nanolayers having different roughness with near infrared femtosecond pulses at 800 nm wavelength. It can be concluded that the highest electron energies are measured from the sample having the highest roughness. Finally a novel measurement technique was demonstrated and validated enabling the measurement of the maximal plasmonic field enhancement with ultrafast photoemission and acceleration process. Directly with this method measured field enhancement values for various samples was in good agreement with the numerical solution of Maxwell equation based simulations. In addition the influence of electron rescattering and image charge was investigated by own developed model. Our simulations confirm that electron rescattering determines essentially the final maximum kinetic energies of electrons, and on the other hand, no significant effect was shown from the image charge. Finally the plasmon dispersion was investigated in high intensity regime. The oscillatory character of dispersion was demonstrated as a function of intensity.
