Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Optika
zsűri
Fizika 1
Kutatóhely
SZFI - Alkalmazott és Nemlineáris Optika Osztály (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont)
résztvevők
Bódi Balázs Dombi Péter Kalmárné Csajbók Viktória
projekt kezdete
2017-12-01
projekt vége
2021-08-31
aktuális összeg (MFt)
15.004
FTE (kutatóév egyenérték)
4.37
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
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 nanostruktúrán keltett lokalizált plazmonok felhasználásával fogom vizsgálni. Első sorban időfelbontott méréseket fogok végrehajtani felhasználva a fotoemittált elektronok áramának a mérését és autokorrelációs technikákat. Emellett az erősen lecsengő elektromágneses térben végbemenő elektrongyorsítás jobb megértésének céljából numerikus számolásokat fogok végezni. Ezenfelül a közel tér keltette nemlineáris effektusokat fogom tanulmányozni nanostrukúrált és sík felületen pásztázó alagút mikroszkópiával. Ez a munka részelgessen annak a sikeres kutatási folyamatnak a folytatása, amit Wigner Fizikai Kutatóközpontban végeztem és az elmúlt években több magas színvonalú publikációt eredményezett. (ide értve Nano Letters, és a Phys. Rev A/B-ben megjelent munkákat) Úgy valószínűsítem, hogy a támogatási időszak eredményeképpen 6-8 nemzetközi folyóiratban megjelenő publikáció várható főleg közepes és magas impakt faktorú folyóíratokban (IF > 3)
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 lokalizált plazmonok időbeli fejlődésének alakulását. Ezeknek a kísérleteknek az eredményei választ adhatnak arra vonatkozóan, hogy vajon lehetséges–e kevés ciklusú lokalizált felületi plazmonokat gerjeszteni ultrarövid lézerimpulzusokkal. Ha a válasz igen akkor én tervezem azonosítani a kritikus paramétereket az ilyen korábban meg nem valósított plazmon gerjesztési sémához. Emellett a numerikus számítások alapján releváns elméleti következtetéseket vonhatok le. Ezekhez kapcsolódóan a fő kérdések a felületről visszaszóródó elektronok és a fém felületen létrejövő tükörtöltés szerepe az elektrongyorsítási folyamatban.
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 segíthetik ultragyors elektron diffrakciós módszerekhez fejlesztett elektronforrások létrehozását, mint például fotoinjektor rendszerek gyorsítókhoz. Ezek az alkalmazások és ultragyors vizsgálati módszerek magába foglalnak számos lehetséges kémiai, biológiai és anyagtudományi felhasználást is. Ultrarövid néhány ciklusú plazmonokat lehetséges lesz felhasználni ultragyors nonométer skálájú optoelektronikus berendezések fejlesztésénél is. A kutatásim fontos szerepet játszhatnak a fotovoltanikában és újfajta optikai érzékelők megtervezésében is.
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 elektron kibocsátási folyamatokat nagy részletességgel vizsgáljon. Célom az elektonemissziós folyamat jobb megértése mind nagyon rövid időskálán (10^-15 másodperc), mind nagyon kicsi térbeli skálán (néhány nanométer). Fém nanostruktúrák alapkutatása fontos, mivel ezek a nanorészecskék nagyon lényeges szerepet játszhatnak nagy hatásfokú napelemek és új rákterápiai módszerek fejlesztésében (csak hogy néhányat említsünk), viszont még a kollektív elektronoszcillációk felépülése nem teljesen tisztázott. Ennek az alapvető gerjesztési folyamat időbeli fejlődésének a jobb megértése, előremozdíthatja az alkalmazások fejlesztését is.
angol összefoglaló
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 the experimental investigateion of photoemission and electron acceleration processes in nanolocalized electromagnetic fields generated by ultrafast, femtosecond light sources. In these experiments, localized plasmons will be generated at different types of metallic nanoparticles. I will carry out mainly time resolved experiments combining the measurement of the electron current photoemitted by plasmonic fields with autocorrelation techniques. I will also perform numerical calculations for deeper understanding of the electron acceleration process in strongly decaying plasmonic 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 my 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). I expect to be able to publish 6-8 international journal publications during the project mainly in medium and high-impact journals (IF > 3).
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 a deeper understanding of the time evolution of localized plasmons with experimental tools. The results of these measurements offer an answer whether it is possible to excite few-cycle localized plasmons on nanoparticles by ultrashort laser pulses. If the answer is positive, I will identify the ciritical parameters for this unprecedented plasmon excitation scheme and I will also perform corresponding, relevant theoretical calculations based on numerical simulations. Other main questions of the research are the role and influence of backscattering electrons and the mirror charge in the plasmonic electron acceleration 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 will contribute to the development of novel, unique ultrafast tunable electron sources and electron nanoemitters. These can have numerous applications involving electron sources for ultrafast electron diffraction methods and nanostructured photocathodes for accelerators. These applications in ultrafast methods involve numerous chemical, biological and materials science applications too. Ultrashort, few-cycle plasmons can be applied in the development of ultrafast, nanoscale optoelectronic devices and the metallic nanostructures that I will investigate already play an important role in photovoltaics, novel optical sensors 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, light-induced electron oscillations build up in them. By acquiring more information on the time evolution of these basic excitation processes, the applications above can also be moved forward.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Ebben a projektben a plazmonikus térerősítés kontrollját demonstráltuk kísérletileg a gerjesztő fény polarizációs állapotának megváltoztatásával. A térerősítésben megfigyelt különbségek a nanorészecskék több plazmon-módusának párhuzamos gerjesztésével írhatók le. Ezek az eredmények lehetőséget nyújthatnak a nanostruktúrák térerősítésének szabályzásához a fény polarizációs állapotának megváltoztatásával.
Továbbá a többfotonos emisszió és az alagút emisszió közötti átmeneti tartományban a nemadiabatikus alagút emissziót kísérletileg és elméletileg vizsgáltuk a plazmonikus nanorészecskék terében. Kimutattuk, hogy az átmeneti tartományban az elektronok alagútázása és visszaszóródása egyidejűleg zajlik.
Továbbá vizsgáltuk a fém vékonyrétegekben keltett haladó felületi plazmonok valamint a felületi érdességeken valamint a nanostruktúrákon, létrejövő lokalizált plazmonok közötti kölcsönhatást. Ennek a keretében egy femtoszekundumos impulzusokkal keltett ultragyors fotoemissziós kísérleteken valamint modellszámításokon alapuló módszert fejlesztettünk ki..
Emellett időfeloldott, nemlineáris elektronemisszión alapuló autokorrelációs kísérleteket végeztünk plazmonikus nanorészecskékről. Valamint vizsgáltuk a magas harmonikus keltést különböző méretű nemesgáz klasztereken. Nem tudtunk ellipticitás függvényében eltérést azonosítani az harmonikusok lecsengésében különböző klaszterméretek esetében. Ez alapján a szülőatomra történő rekombináció dominál.
kutatási eredmények (angolul)
In this project the nanoscale control of plasmonic field enhancement was demonstrated experimentally by changing the polarization state of generating light. The observed differences in field enhancement factors can be described by parallel excitation of multiple plasmon modes of the nanostructures. These results can offer tool for manipulating the field enhancement property of nanostructures by changing the polarization state of light.
Moreover nonadiabatic tunneling in the transition region between the multiphoton emission and adiabatic tunnel emission regions is experimentally and theoretically investigated in fields of plasmonic nanostructures. It was shown that in the transition region tunneling and rescattering of electrons take place at the same time.
Furthermore ultrafast photoemission near-field probing technique was developed to investigate the fundamental question of plasmon–plasmon coupling and its effect on large field enhancement factors. By measuring and analyzing plasmon field enhancement values at different nanostructured surfaces based on the spectrally resolved electron emission measurements.
In addition high harmonic generation (HHG) was studied on noble gas targets with different cluster sizes. Since the ellipticity-dependent HHG decay was the same different cluster size, we can conclude that the recombination process is dominated by atom-to-itself recollisions.
B. Lovász, P. Sándor, G-Zs. Kiss, B. Bánhegyi, P. Rácz, Zs Pápa, J. Budai, C. Prietl, J. Krenn, P. Dombi: Nonadiabatic tunneling of photoelectrons in plasmonic near-fields, manuscript to be submitted to Phys. Rev. Lett., 2021
Zs. Pápa, P. Sándor, B. Lovász, J. Budai, J. Kasza, Zs. Márton, P. Jójárt, I. Seres, Zs. Bengery, Cs. Németh, P. Dombi and P. Rácz: Control of Plasmonic Field Enhancement by Mode-mixing, submitted to Appl. Phys. Lett, 2021
