TY  - THES
A1  - Röding, Sebastian
T1  - Coherent Multidimensional Spectroscopy in Molecular Beams and Liquids Using Incoherent Observables
T1  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie in Molekularstrahlen und Flüssigkeiten durch inkohärente Observablen
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Umsetzung einer experimentellen Herangehensweise, welche die kohärente zweidimensionale (2D) Spektroskopie an Proben in unterschiedlichen Aggregatzuständen ermöglicht.
Hierzu wurde zunächst ein Aufbau für flüssige Proben realisiert, in welchem die emittierte Fluoreszenz als Messsignal zur Aufnahme der 2D Spektren genutzt wird. Im Gegensatz zu dieser bereits etablierten Methode in der flüssigen Phase stellt die in dieser Arbeit außerdem vorgestellte 2D Spektroskopie an gasförmigen Proben in einem Molekularstrahl einen neuen Ansatz dar. Hierbei werden zum ersten Mal Kationen mittels eines Flugzeitmassenspektrometers als Signal verwendet und somit ionen-spezifische 2D Spektren isolierter Moleküle erhalten. Zusätzlich zu den experimentellen Entwicklungen wurde in dieser Arbeit ein neues Konzept zur Datenerfassung in der 2D Spektroskopie entworfen, welches mit Hilfe einer optimierten Signalabtastung und eines Compressed-Sensing Rekonstruktionsalgorithmus die Aufnahmezeit der Daten deutlich reduziert.

Charakteristisch für die in dieser Arbeit eingesetzte Variante der 2D Spektroskopie ist die Verwendung einer phasenkohärenten Sequenz bestehend aus vier Laserimpulsen in einer kollinearen Laserstrahlgeometrie zur Anregung der Probe. Diese Impulssequenz wurde durch einen Laserimpulsformer erzeugt, der durch Änderung der relevanten Laserimpulsparameter mit der Wiederholrate des Lasers eine schnelle Datenerfassung ermöglicht. Die Antwort der Probe auf diese Anregung wurde durch inkohärente Observablen gemessen, welche proportional zur Population des angeregten Zustandes sind, wie zum Beispiel Fluoreszenz oder Ionen. Um aus diesem Signal während der Datenanalyse die gewünschten nichtlinearen Beiträge zu extrahieren, wurde die Messung mit verschiedenen Kombinationen der relativen Phase zwischen den Laserimpulsen wiederholt ("Phase Cycling").

Der Aufbau zur 2D Spektroskopie in flüssiger Phase mit Fluoreszenz-Detektion wurde an Hand von 2D Spektren des Laserfarbstoffes Cresyl Violett charakterisiert. Hierbei wurden Oszillationen in verschiedenen Bereichen des 2D Spektrums beobachtet, welche durch vibronische Kohärenzen hervorgerufen werden und mit früheren Beobachtungen in der Literatur übereinstimmen.

Mit dem gleichen Datensatz wurde im nächsten Schritt das neue Konzept zur optimierten Datenerfassung demonstriert. Um ein optimiertes Schema für die Signalabtastung zu finden, wurde ein genetischer Algorithmus implementiert, wobei nur ein Viertel der eigentlichen Datenpunkte zur Messwerterfassung verwendet werden sollte. Dies reduziert die Zeitdauer der Datenerfassung auf ein Viertel der ursprünglichen Messzeit. Die Rekonstruktion des vollständigen Signales erfolgte mit Hilfe einer neuartigen, kompakten Darstellung von 2D Spektren basierend auf der von Neumann Basis. Diese Herangehensweise benötigte im Vergleich zur üblicherweise verwendeten Fourier Basis nur ein Sechstel der Koeffizienten um das Signal vollständig darzustellen und ermöglichte so die erfolgreiche Rekonstruktion der Oszillationen in Cresyl Violett aus einem reduzierten Datensatz. 

Mit Hilfe der neuartigen kohärenten 2D Spektroskopie an Molekularstrahlen wurden Übergänge von hoch angeregten Rydberg-Zuständen ins ionische Kontinuum in Stickstoffdioxid untersucht. Als dominierender Beitrag stellte sich hierbei der Übergang in auto-ionisierende Zustände heraus. Ein wesentlicher Vorteil der Datenerfassung über ein Flugzeitmassenspektrometer ist die Möglichkeit der gleichzeitigen Aufnahme von 2D Spektren der Edukte und Produkte einer chemischen Reaktion. Dies wurde in Experimenten zur Mehrphotonenionisation gezeigt, in denen deutliche Unterschiede in den 2D Spektren des Stickstoffdioxid-Kations und des Stickstoffmonoxid-Fragmentes sichtbar wurden, welche auf unterschiedliche Antwortfunktionen zurückzuführen sind.

Die in dieser Arbeit entwickelten experimentellen Techniken ermöglichen die schnelle Aufnahme von 2D Spektren für Proben in unterschiedlichen Aggregatzuständen und erlauben einen zuverlässigen, direkten Vergleich der Ergebnisse. Sie sind deshalb ein Wegbereiter für zukünftige Untersuchungen der Eigenschaften quantenmechanischer Kohärenzen in photophysikalischen Prozessen oder während photochemischer Reaktionen in unterschiedlichen Aggregatzuständen.
N2  - The aim of the present work was to implement an experimental approach that enables coherent two-dimensional (2D) electronic spectroscopy of samples in various states of matter. For samples in the liquid phase, a setup was realized that utilizes the sample fluorescence for the acquisition of 2D spectra. Whereas the liquid-phase approach has been established before, coherent 2D spectroscopy on gaseous samples in a molecular beam as developed in this work is in fact a new method. It employs for the first time cations in a time-of-flight mass spectrometer for signal detection and was used to obtain the first ion-selective 2D spectra of a molecular-beam sample. Additionally, a new acquisition concept was developed in this thesis that significantly decreases measurement times in 2D spectroscopy using optimized sparse sampling and a compressed-sensing reconstruction algorithm.

Characteristic for the variant of 2D spectroscopy presented in this work is the usage of a phase-coherent sequence of four laser pulses in a fully collinear geometry for sample excitation. The pulse sequence was generated by a custom-designed pulse shaper that is capable of rapid scanning by changing the pulse parameters such as time delays and phases with the repetition rate of the laser. The sample's response was detected by monitoring incoherent observables that arise from the final-state population, for instance fluorescence or cations. Phase cycling, i.e., signal acquisition with different combinations of the relative phases of the excitation pulses, was applied to extract nonlinear signal contributions from the full signal during data analysis. 

Liquid-phase 2D fluorescence spectroscopy was established with the laser dye cresyl violet as a sample molecule, confirming coherent oscillations previously observed in literature that are originating from vibronic coherences in specific regions of the 2D spectrum. 

The data set of this experiment was used subsequently to introduce optimized sparse sampling in 2D spectroscopy. An optimization algorithm was implemented in order to find the best sampling pattern while taking only one quarter of the regular time-domain sampling points, thereby reducing the acquisition time by a factor of four. Signal recovery was based on a new and compact representation of 2D spectra using the von Neumann basis, which required about six times less coefficients than the Fourier basis to retain the relevant information. Successful reconstruction was shown by recovering the coherent oscillations in cresyl violet from a reduced data set. 

Finally, molecular-beam coherent 2D spectroscopy was introduced with an investigation of ionization pathways in highly-excited nitrogen dioxide, revealing transitions to discrete auto-ionizing states as the dominant contribution to the ion signal. Furthermore, the advantage of the time-of-flight approach to obtain reactant and product 2D spectra simultaneously enabled the observation of distinct differences in the multiphoton-ionization response functions of the nitrogen dioxide cation and the nitrogen oxide ionic fragment.  

The developed experimental techniques of this work will facilitate fast acquisition of 2D spectra for samples in various states of matter and permit reliable direct comparison of results. Therefore, they pave the way to study the properties of quantum coherences during photophysical processes or photochemical reactions in different environments.
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Pump-Probe Technik
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Time-Resolved Spectroscopy
KW  - Photochemistry
KW  - Laser Pulse Shaping
KW  - Sparse Sampling
KW  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie
KW  - Zeitaufgelöste Spektroskopie
KW  - Photochemie
KW  - Laserimpulsformung
KW  - Sparse Sampling
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156726
ER  - 
TY  - THES
A1  - Langhojer, Florian
T1  - New techniques in liquid-phase ultrafast spectroscopy
T1  - Neue Techniken der Ultrakurzzeitspektroskopie in der flüssigen Phase
N2  - Contents List of Publications 1 Introduction 2 Basic concepts and instrumentation 2.1 Mathematical description of femtosecond laser pulses 2.2 Optical quantities and measurements 2.2.1 Intensity 2.2.2 Absorbance and Beer-Lambert law 2.3 Laser system 2.4 General software framework for scientific data acquisition and simulation 2.4.1 Core components 2.4.2 Program for executing a single measurement sequence 2.4.3 Scan program 2.4.4 Evolutionary algorithm optimization program 2.4.5 Applications of the software framework 2.5 Summary 3 Generation of ultrabroadband femtosecond pulses in the visible 3.1 Nonlinear optics 3.1.1 Nonlinear polarization and frequency conversion 3.1.2 Phase matching 3.2 Optical parametric amplification 3.3 Noncollinear optical parametric amplifier 3.4 Considerations and experimental design of NOPA 3.4.1 Options for broadening the NOPA bandwidth 3.4.2 Experimental setup 3.5 NOPA pulse characterization 3.5.1 Second harmonic generation frequency-resolved optical gating 3.5.2 Transient grating frequency-resolved optical gating 3.6 Compression and shaping methods for NOPA pulses 3.6.1 Grating compressor 3.6.2 Prism compressor 3.6.3 Chirped mirrors 3.6.4 Detuned zero dispersion compressor 3.6.5 Deformable mirror pulse shaper 3.6.6 Liquid crystal pulse shaper 3.7 Liquid crystal pulse shaper 3.7.1 Femtosecond pulse shapers 3.7.2 Experimental design and parameters 3.7.3 Optical setup of the LC pulse shaper 3.7.4 Calibrations of the pulse shaper 3.8 Adaptive pulse compression 3.8.1 Closed loop pulse compression 3.8.2 Open loop pulse compression 3.9 Conclusions 4 Coherent optical two-dimensional spectroscopy 4.1 Introduction 4.2 Theory of third order nonlinear optical spectroscopies 4.2.1 Response function, electric fields, and signal field 4.2.2 Signal detection with spectral interferometry 4.2.3 Evaluation of two-dimensional spectra and phasing 4.2.4 Selection and classification of terms in induced nonlinear polarization 4.2.5 Oscillatory character of measured signal 4.3 Previous experimental implementations 4.4 Inherently phase-stable setup using conventional optics only 4.4.1 Manipulation of pulse pairs as a basis for stability 4.4.2 Experimental setup 4.4.3 Measurement procedure 4.4.4 Data evaluation 4.5 First experimental results 4.5.1 Demonstration of phase stability 4.5.2 2D spectrum of Nile Blue at room temperature 4.6 Summary and outlook 5 Product accumulation for ultrasensitive femtochemistry 5.1 The problem of sensitivity in femtochemistry 5.2 Accumulation for increased sensitivity 5.2.1 Comparison of conventional and accumulative sensitivity 5.2.2 Schematics and illustrative example 5.3 Experimental setup 5.4 Calibration and modeling of accumulation 5.5 Experiments on indocyanine green 5.5.1 Calibration of the setup 5.5.2 Chirped pulse excitation 5.5.3 Adaptive pulse shaping 5.6 Conclusions 6 Ultrafast photoconversion of the green fluorescent protein 6.1 Green fluorescent protein 6.2 Experimental setup for photoconversion of GFP 6.3 Calibration of the setup for GFP 6.3.1 Model for concentration dynamics of involved GFP species 6.3.2 Estimate of sensitivity 6.4 Excitation power study 6.5 Time-resolved two-color experiment 6.6 Time-delayed unshaped 400 nm – shaped 800 nm pulse excitation 6.6.1 Inducing photoconversion with chirped pulses 6.6.2 Photoconversion using third order phase pulses 6.7 Conclusions 7 Applications of the accumulative method to chiral systems 7.1 Introduction 7.2 Chiral asymmetric photochemistry 7.2.1 Continuous-wave circularly polarized light 7.2.2 Controlled asymmetric photochemistry using femtosecond laser pulses 7.3 Sensitive and fast polarimeter 7.3.1 Polarimeter setup 7.3.2 Detected signal I(t) 7.3.3 Angular amplification 7.3.4 Performance of the polarimeter 7.4 Molecular systems and mechanisms for enantioselective quantum control 7.4.1 Binaphthalene derivatives 7.4.2 Photochemical helicene formation 7.4.3 Spiropyran/merocyanine chiroptical molecular switches 7.5 Summary 8 Summary Zusammenfassung Bibliography Acknowledgements
N2  - Inhalt Liste der Veröffentlichungen 1 Einleitung 2 Grundlegende Konzepte und Instrumente 2.1 Mathematische Beschreibung von Femtosekundenlaserpulsen 2.2 Optische Größen und Messungen 2.2.1 Intensität 2.2.2 Absorbanz und Lambert- Beer Gesetz 2.3 Lasersystem 2.4 Allgemeines Softwareframework zur wissenschaftlichen Datenaufnahme und Simulation 2.4.1 Kernkomponenten 2.4.2 Programm zur Aufnahme einer einzelnen Messsequenz 2.4.3 Scanprogramm 2.4.4 Evolutionärer Algorithmus 2.4.5 Anwendungen des Softwareframeworks 2.5 Zusammenfassung 3 Erzeugung ultrabreitbandiger Femtosekundenlaserpulse im sichtbaren Spektralbereich 3.1 Nichtlineare Optik 3.1.1 Nichtlineare Polarisation und Frequenzkonversion 3.1.2 Phasenanpassung 3.2 Optisch-parametrische Verstärkung 3.3 Nichtkollinearer optisch-parametrischer Verstärker 3.4 Erwägungen und experimenteller Entwurf 3.4.1 Optionen zur Verbreiterung der Bandbreite des NOPA 3.4.2 Experimenteller Aufbau 3.5 NOPA Pulscharacterisierung 3.5.1 Second harmonic generation frequency-resolved optical gating 3.5.2 Transient grating frequency-resolved optical gating 3.6 Kompressions- und Formungsmethoden für NOPA Pulse 3.6.1 Gitterkompressor 3.6.2 Prismenkompressor 3.6.3 Chirped mirrors 3.6.4 Verstimmter Nulldispersionskompressor 3.6.5 Pulsformer auf Basis eines verformbaren Spiegels 3.6.6 Flüssigkristallpulsformer 3.7 Flüssigkristallpulsformer 3.7.1 Femtosekundenpulsformer 3.7.2 Experimenteller Entwurf und experimentelle Parameter 3.7.3 Optischer Aufbau des Flüssigkristallformers 3.7.4 Kalibrationen des Formers 3.8 Adaptive Pulskompression 3.8.1 Pulskompression in einer geschlossenen Schleife 3.8.2 Pulskompression in einer offenen Schleife 3.9 Zusammenfassung 4 Kohärente optische, zweidimensionale Spektroskopie 4.1 Einleitung 4.2 Theorie der Spektroskopien dritter Ordnung 4.2.1 Antwortfunktion, elektrische Felder und Signalfeld 4.2.2 Signalmessung mittels spektraler Interferometrie 4.2.3 Auswertung der zweidimensionalen Spektren und Phasieren 4.2.4 Auswahl und Klassifikation von Termen der induzierten nichtlinearen Polarisation 4.2.5 Oszillatorisches Verhalten des Messignals 4.3 Bisherige experimentelle Realisierungen 4.4 Inhärent phasenstabiler Aufbau auf Basis von nur konventionellen Optiken 4.4.1 Manipulation von Pulspaaren als Grundlage der Stabilität 4.4.2 Experimenteller Aufbau 4.4.3 Messprozedur 4.4.4 Datenauswertung 4.5 Erste experimentelle Ergebnisse 4.5.1 Demonstration der Phasenstabilität 4.5.2 2D Spektrum von Nilblau bei Raumtemperatur 4.6 Zusammenfassung und Ausblick 5 Akkumulation von Photoprodukten zur ultrasensitiven Messung von Femtochemie 5.1 Das Problem der Sensitivität in der Femtochemie 5.2 Akkumulation zur Erhöhung der Sensitivität 5.2.1 Vergleich Sensitivität der konventionellen und akkumulativen Methoden 5.2.2 Schema und illustratives Beispiel 5.3 Experimenteller Aufbau 5.4 Kalibration und Modellierung der Akkumulation 5.5 Experimente am Farbstoff Indocyanin Grün 5.5.1 Kalibration des Aufbaus 5.5.2 Anregung mit gechirpten Pulsen 5.5.3 Adaptive Pulsformung 5.6 Zusammenfassung 6 Ultraschnelle Photokonversion des grün fluoreszierenden Proteins 6.1 Grün fluoreszierendes Protein 6.2 Experimenter Aufbau zur Photokonversion von GFP 6.3 Kalibration des Aufbaus für GFP 6.3.1 Modell der Konzentrationsdynamiken der beteiligten GFP Spezies 6.3.2 Abschätzung der Sensitivität 6.4 Variation der Anregungsleistung 6.5 Zeitaufgelöstes Zweifarbexperiment 6.6 Anregung mit zeitverzögerten ungeformte 400 nm und geformten 800 nm Laserpulsen 6.6.1 Induktion der Photokonversion mit gechirpten Pulsen 6.6.2 Photokonversion mit Pulsen mit dritter Ordnung Phase 6.7 Zusammenfassung 7 Anwendungen der akkumulativen Methode auf chirale Systeme 7.1 Einleitung 7.2 Chirale asymmetrische Photochemie 7.2.1 Zirkular polarisiertes Dauerstrichlicht 7.2.2 Kontrollierte asymmetrische Photochemie mit Femtosekundenlaserpulsen 7.3 Sensitives und schnelles Polarimeter 7.3.1 Polarimeteraufbau 7.3.2 Messsignal I(t) 7.3.3 Winkelverstärkung 7.3.4 Leistung des Polarimeters 7.4 Molekulare Systeme und Mechanismen für enantioselektive Quantenkontrolle 7.4.1 Binaphthalinderivate 7.4.2 Photochemische Helicenbildung 7.4.3 Spiropyran/Merocyanin als chiral-optischer Schalter 7.5 Zusammenfassung 8 Zusammenfassung (englisch) Zusammenfassung (deutsch) Literaturverzeichnis Danksagungen
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Optische Spektroskopie
KW  - VIS-Spektroskopie
KW  - UV-VIS-Spektroskopie
KW  - Spektroskopie
KW  - Nichtlineare Spektroskopie
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - ultrafast spectroscopy
KW  - two-dimensional spectroscopy
KW  - four-wave mixing
KW  - vis spectroscopy
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-39337
ER  - 
TY  - THES
A1  - Götz, Sebastian Reinhold
T1  - Nonlinear spectroscopy at the diffraction limit: probing ultrafast dynamics with shaped few-cycle laser pulses
T1  - Nichtlineare Spektroskopie am Beugungslimit: Untersuchung ultraschneller Dynamiken mit geformten Laserpulsen
N2  - An experimental setup for probing ultrafast dynamics at the diffraction limit was developed, characterized and demonstrated in the scope of the thesis, aiming for optical investigations while simultaneously approaching the physical limits on the length and timescale.
An overview of this experimental setup was given in Chapter 2, as well as the considerations that led to the selection of the individual components. Broadband laser pulses with a length of 9.3 fs, close to the transform limit of 7.6 fs, were focused in a NA = 1.4 immersion oil objective, to the diffraction limit of below 300 nm (FWHM). 
The spatial focus shape was characterized with off-resonance gold nanorod scatterers scanned through the focal volume. For further insights into the functionality and limitations of the pulse shaper, its calibration procedure was reviewed. The deviations between designed and experimental pulse shapes were attributed to pulse-shaper artifacts, including voltage-dependent inter-layer as well as intra-layer LCD-pixel crosstalk, Fabry-Pérot-type reflections in the LCD layers, and space-time coupling. A pixel-dependent correction was experimentally carried out, which can be seen as an extension of the initial calibration to all possible voltage combinations of the two LCD layers.
The capabilities of the experimental setup were demonstrated in two types of experiments, targeting the nonlinearity of gold (Chapter 3) as well as two-dimensional spectroscopy at micro-structured surfaces (Chapter 4).
Investigating thin films, an upper bound for the absolute value for the imaginary part of the nonlinear refractive index of gold could be set to |n′′ 2 (Au)| < 0.6·10−16 m2/W, together with |n′ 2 (Au)| < 1.2·10−16 m2/W as an upper bound for the absolute value of the real part. Finite-difference time-domain simulations on y-shaped gold nanostructures indicated that a phase change of ∆Φ ≥ 0.07 rad between two plasmonic modes would induce a sufficient change in the spatial contrast of emission to the far-field to be visible in the experiment. As the latter could not be observed, this value of ∆Φ was determined as the upper bound for the experimentally induced phase change. An upper bound of 52 GW/cm2 was found for the damage threshold.
In Chapter 4, a novel method for nonlinear spectroscopy on surfaces was presented. Termed coherent two-dimensional fluorescence micro-spectroscopy, it is capable of exploring ultrafast dynamics in nanostructures and molecular systems at the diffraction limit. Two-dimensional spectra of spatially isolated hotspots in structured thin films of fluorinated zinc phthalocyanine (F16ZnPc) dye were taken with a 27-step phase-cycling scheme. Observed artifacts in the 2D maps were identified as a consequence from deviations between the desired and the experimental pulse shapes. The optimization procedures described in Chapter 2 successfully suppressed the deviations to a level where the separation from the nonlinear sample response was feasible.
The experimental setup and methods developed and presented in the scope of this thesis demonstrate its flexibility and capability to study microscopic systems on surfaces. The systems exemplarily shown are consisting of metal-organic dyes and metallic nanostructures, represent samples currently under research in the growing fields of organic semiconductors and plasmonics.
N2  - Ein experimenteller Aufbau zur Untersuchung von ultraschnellen Dynamiken am Beugungslimit wurde in dieser Arbeit entwickelt, charakterisiert und demonstriert. Sie hatte zum Ziel, im Rahmen von optischen Beobachtungen gleichzeitig an die physikalischen Grenzen von Längen- und Zeitskalen zu gehen
Es wurde ein Überblick über den verwendeten experimentellen Aufbau gegeben, zusammen mit den Überlegungen, die zur Auswahl der einzelnen Komponenten geführt haben. Für die Pulslänge der spektral breitbandigen Laserpulse wurde auf 9.3 fs gemessen, was nahe an der transformlimitierten Dauer von 7.6 fs liegt. Im beugungslimitierten Fokus eines Immersionsölobjektivs mit einer numerischen Apertur von 1.4 konnte das Licht räumlich auf eine Halbwertsbreite von unter 300 nm komprimiert werden.
Der Fokus des Mikroskopobjektivs wurde mit Hilfe der Streuung von nicht resonanten Nanopartikeln aus Gold ausgemessen, indem diese räumlich durch den Fokus gerastert wurden. Zur weiteren Untersuchung des Funktionsumfangs und der Grenzen des benutzten Pulsformers wurde dessen Eichprozedur geprüft. Die Abweichungen zwischen gewünschten und tatsächlich angelegten Pulsformen wurden auf Artefakte des Pulsformers zurückgeführt. Diese Artefakte beinhalten eine spannungsabhängige Beeinflussung der LCD-Pixel sowohl zwischen benachbarten Pixeln einer Schicht als auch zwischen Pixeln unterschiedlicher Schichten. Eine pixelabhängige Korrektur wurde implementiert, die eine Erweiterung der ursprünglichen Kalibrierung auf alle möglichen Spannungskombinationen der LCD-Pixel darstellt.
Die Möglichkeiten experimentellen Aufbaus wurden mit zwei Arten von Experimenten demonstriert: Messungen zur Bestimmung des nichtlinearen Brechungsindexes von Gold (Kapitel 3) sowie zweidimensionale Spektroskopie an mikrostrukturierten Oberflächen (Kapitel 4).
Für den nichtlinearen Brechungsindexes von Gold konnte an Dünnschichten eine obere Grenze von |n′′ 2 (Au)| < 0.6·10−16 m2/W für den Betrag des Imaginärteils und |n′ 2 (Au)| < 1.2·10−16 m2/W für den Betrag des Realteils festgesetzt werden. Simulationen mit der Finite-Differenzen-Methode an Y-förmige Nanostrukturen aus Gold zeigten, dass eine Phasenänderung von ∆Φ ≥ 0.07 rad zwischen zwei plasmonischen Moden ausreichend für eine experimentell sichtbare Kontraständerung der Fernfeldabstrahlung wäre. Da letztere nicht beobachtet werden konnte, wurde dieser Wert für ∆Φ als obere Grenze für die experimentell eingeführte Phasenänderung festgesetzt. Für die Zerstörschwelle wurde eine obere Grenze von 52 GW/cm2 gefunden.
In Kapitel 4, wurde eine neue Methode für nichtlineare Spektroskopie an Oberflächen vorgestellt. Sie trägt den Namen ”Kohärente zweidimensionale Fluoreszenz-Mikrospektroskopie“ und eignet sich zur Untersuchung ultraschneller Dynamiken in Nanostrukturen und molekularen Systemen am Beugungslimit.
Es wurden 2D-Spektren von räumlich isolierten Hotspots einer strukturierten Zink-Phthalocyanin (F16ZnPc) Dünnschicht mit 27-fachem Phasecycling aufgenommen. Als Grund für Artefakte in den 2D-Karten wurden Abweichungen zwischen den gewünschten und experimentellen Pulsformen identifiziert. Durch die in Kapitel 2 vorgestellten Optimierungen konnten die Abweichungen allerdings so stark reduziert werden, dass deren Trennung von der nichtlinearen Antwort der Probe möglich wurde.
Die Flexibilität und der Funktionsumfang zur Analyse mikroskopischer Systeme der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten experimentellen Aufbauten und Methoden wurde demonstriert. Repräsentativ für die wachsenden Forschungsfelder der organischen Halbleiter und der Plasmonik wurden exemplarisch Systeme bestehend aus metall-organischen Farbstoffen und metallischen Nanostrukturen untersucht.
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Fluoreszenzspektroskopie
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Nanostruktur
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Laser Pulse Shaping
KW  - LCD Pulse Shaper
KW  - Surface Plasmon
KW  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie
KW  - Laserpulsformung
KW  - LCD Pulsformer
KW  - Oberflächenplasmon
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192138
ER  - 
TY  - THES
A1  - Moigno, Damien
T1  - Study of the ligand effects on the metal-ligand bond in some new organometallic complexes using FT-Raman and -IR spectroscopy, isotopic substitution and density functional theory techniques
T1  - Untersuchung der Wirkung von Liganden auf die Metall-Ligand Bindungen einiger neuer organometallischer Komplexe mit Hilfe der FT-Raman und -IR Spektroskopie, isotopischen Substitution und DFT Techniken
N2  - The present studies which have been performed in the work-group C-2 (Prof. W. Kiefer) within the program of the Sonderforschungsbereichs 347, deal with the FT-Raman and –IR spectroscopy on new organometallic complexes, synthesized in the work-groups B-2 (Prof. W. Malisch), B-3 (Prof. W. A. Schenk), D-1 (Prof. H. Werner) and D-4 (Prof. D. Stalke). The FT-Raman spectra recorded at 1064 nm led to very useful and interesting information. Furthermore, the DFT calculations which are known to offer promise of obtaining accurate vibrational wavenumbers, were successfully used for the assignment of the vibrational spectra. For the first time it has been possible to ascribe exactly the n(RhC) stretching mode in the vinylidene rhodium(I) complex trans-[RhF(=C=CH2)(PiPr3)2] by using isotopic substitution, in conjunction with theoretical calculations. This is also true for the complexes trans-[RhF(CO)(PiPr3)2], trans-[RhF(C2H4)(PiPr3)2], trans-[RhX(=C=CHPh)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I, Me, PhCºC) and trans-[RhX(CN-2,6-xylyl)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I, CºCPh). In addition, the comparison between the n(RhC) wavenumbers of the complexes trans-[RhF(=13C=13CH2)(PiPr3)2] and trans-[RhF(CO)(PiPr3)2], containing the isoelectronic ligands 13C=13CH2 and CO, which have the same reduced mass, indicated that the Rh-C bond is stronger in the carbonyl than in the vinylidene complex. Besides, the n(RhF) stretching mode, which has been observed at higher wavenumbers in the FT-Raman and -IR spectra of trans-[RhF(CO)(PiPr3)2], showed that the carbonyl ligand is a better p-acceptor and a less effective s-donor than the vinylidene one. Moreover, the comparison of the n(CºC) and n(Rh-C) modes from the FT-Raman spectrum of the complexes trans-[Rh(CºCPh)(L)(PiPr3)2] (L = C=CHPh, CO, CN-2,6-xylyl) point out that the p-acceptor ability of the ligand trans to CºCPh should rise in the order C=CH2 < CO < CN-2,6-xylyl £ C=CHPh. The investigated sensitivity of the n(RhC), n(CC), n(CO) and n(CN) vibrational modes to the electronic modifications occuring in the vinylidene, carbonyl, ethylene and isonitrile complexes, should allow in the future the examination of the p-acceptor or p-donor properties of further ligands. Likewise, we were able to characterize the influence of various X ligands on the RhC bond by using the n(RhC) stretching mode as a probe for the weakening of this. The calculated wavenumbers of the n(RhC) for the vinylidene complexes trans-[RhX(=C=CHR)(PiPr3)2], where R = H or Ph, suggested that the strength of the Rh=C bond increases along the sequence X = CºCPh < CH3 < I < Br < Cl < F. For the series of carbonyl compounds trans-[RhX(CO)(PiPr3)2], where X = F, Cl, Br and I, analogous results have been obtained and confirmed from the model compounds trans-[RhX(CO)(PMe3)2]. Since, the calculated vibrational modes for the ethylene complex trans-[RhF(C2H4)(PiPr3)2] were in good agreement with the experimental results and supported the description of this complex as a metallacyclopropane, we were interested in getting more information upon this class of compounds. In this context, we have recorded the FT-Raman and -IR spectra of the thioaldehyde complexes mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CH2)] and mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CD2)] which have been synthezised by B-3. The positions of the different WL vibrational modes anticipated by the DFT calculations, were consistent with the experimental results. Indeed, the analysis of the band shifts in the FT-Raman and –IR spectra of the isotopomer mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CD2)] confirmed our assignment. The different stereoisomers of complex mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CH2)] were investigated too, since RMN and IR-data have shown that complex mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CH2)] lead in solution to an equilibrium. Since the information on the vibrational spectra of the molybdenum and tungsten complexes Cp(CO)2M-PR2-X (M = Mo, W; R = Me, tBu, Ph; X = S, Se) is very scarce, we extended our research work to this class of compounds. We have tried to elucidate the bonding properties in these chalcogenoheterocycle complexes by taking advantage of the mass effect on the different metal atoms (W vs. Mo). Thus, the observed band shifts allowed to assign most of the ML fundamental modes of these complexes. This project and the following one were a cooperation within the work-group B-2. The Raman and IR spectra of the matrix isolated photoproducts expected by the UV irradiation of the iron silyl complex Cp(CO)2FeSiH2CH3 have been already reported by Claudia Fickert and Volker Nagel in their PhD-thesis. Since no exact assignment was feasible for these spectra, we were interested in the study of the reaction products created by irradiation of the carbonyl iron silyl complex Cp(CO)2FeCH2SiH3. Although the calculated characteristic vibrational modes of the metal ligand unit for the various photoproducts are significantly different in constitution, they are very similar in wavenumbers, which did not simplify their identification. However, the theoretical results have been found to be consistent with the earlier experimental results. Finally, the last part of this thesis has been devoted to the (2-Py)2E- anions which exhibit a high selectivity toward metal-coordination. All di(2-pyridyl) amides and -phosphides which were synthesized by D-4, coordinate the R2Al+ fragment via both ring nitrogen atoms. This already suggests that the charge density in the anions is coupled into the rings and accumulated at the ring nitrogen atoms, but the Lewis basicity of the central nitrogen atom in Et2Al(2-Py)2N is still high enough to coordinate a second equivalent AlEt3 to form the Lewis acid base adduct Et2Al(2-Py)2NAlEt3. Due to the higher electronegativity of the central nitrogen atom in Me2Al(2-Py)2N, Et2Al(2-Py)2N and Et2Al(2-Py)2NAlEt3, compared to the bridging two coordinated phosphorus atom in Me2Al(2-Py)2P and Et2Al(2-Py)2P, the di(2-pyridyl)amide is the hardest Lewis base. In the phosphides merely all charge density couples into the rings leaving the central phosphorus atom only attractive for soft metals. These results were confirmed by using DFT and MP2 calculations. Moreover, a similar behaviour has been observed and described for the benzothiazolyl complex [Me2Al{Py(Bth)P}], where complementary investigations are to be continued. The DFT calculations carried out on the model compounds analysed in these studies supply very accurate wavenumbers and molecular geometries, these being in excellent agreement with the experimental results obtained from the corresponding isolated complexes.
N2  - Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 347 „Selektive Reaktionen Metall-aktivierter Moleküle“ im Teilprojekt C-2 (Prof. W. Kiefer) „Laserspektroskopie zur Charakterisierung der Struktur und Dynamik Metall-gebundener Moleküle“ durchgeführt. Diese befaßt sich mit den Infrarot- und Raman-spektroskopischen Untersuchungen an Übergangsmetallverbindungen, die in den Teilprojekten B-2 (Prof. W. Malisch), B-3 (Prof. W. A. Schenk), D-1 (Prof. H. Werner), D-4 (Prof. D. Stalke) synthetisiert wurden. Durch den Einsatz der FT-Raman-Spektroskopie mit langwelliger Laseranregung im NIR-Bereich und zum Teil von isotopenmarkierten Molekülen konnten aussagekräftige Spektren erhalten werden. Die Dichtefunktionnaltheorie stellte sich als geeignetes Mittel zur Vorhersage und Interpretation der Schwingungsspektren heraus. Abhängig von der Größe der betrachteten Komplexe waren jeweils Rechnungen nötig, die auf sehr unterschiedlichen theoretischen Niveaus basierten. Zum ersten Mal wurde mit Hilfe der Isotopenmarkierung und der Dichtefunktionaltheorie die Valenzschwingung n(Rh=C) in trans-[RhF(L)(PiPr3)2] (L = C=CH2, 13C=13CH2) charakterisiert. Diese zeigte sich als eine starke Raman-Bande und konnte ebenfalls im trans-[RhF(CO)(PiPr3)2] identifiziert werden. Darüber hinhaus erkannte man beim Vergleich von trans-[RhF(13C=13CH2)(PiPr3)2] und trans-[RhF(CO)(PiPr3)2] eine Verschiebung nach höheren Wellenzahlen der Valenzschwingung n(RhC) für den Carbonyl-Komplex. Einerseits haben beide Liganden 13C=13CH2 und CO die gleiche reduzierte Masse, was die elektronische Natur der n(RhC)-Verschiebung zeigt, welche eine Verstärkung der RhC-Valenzkraftkonstanten im Fall des Carbonyls belegt. Anderseits weist die Verschiebung der n(RhF)-Streckschwingung nach höheren Wellenzahlen im Carbonyl-Komplex für deren Ligand bessere p-Akzeptor- und schlechtere s-Donor-Eigenschaften gegenüber dem Vinyliden auf. Durch die aus solchen Untersuchungen gewonnenen n(RhC)- und n(CºC)-Verschiebungen in den verschiedenen untersuchten Komplexen ergibt sich die folgende Reihe abnehmender p-Akzeptorstärke: C=CHPh ³ CN-2,6-xylyl > CO > C=CH2. Die Empfindlichkeit der Valenzschwingungen n(RhC), n(CC), n(CO) und n(CN) gegenüber Veränderungen der elektronischen Verhältnisse in Vinylidene-, Carbonyl-, Ethylene- und Isonitrile-Komplexen läßt sich ihrerseits als „Sonde“ zur Untersuchung der p-Akzeptor-bzw. p-Donor-Eigenschaften anderer Liganden nutzen. Die Beeinflussung, vor allem die Schwächung der RhC-Bindung durch einen trans-ständigen Liganden konnte dadurch an den Komplexen trans-[RhX(13C=13CH2)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I), trans-[RhX(C=CHPh)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I, Me, PhCºC), trans-[RhX(CO)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I, PhCºC) und trans-[RhX(CN-2,6-xylyl)(PiPr3)2] (X = F, Cl, Br, I, PhCºC) untersucht werden. Die FT-Raman Spektroskopie zeigte sich als eine nützliche Methode zur Untersuchung des Trans-Einflusses. MO- und NBO-Berechnungen waren dabei sehr hilfreich, um diesen Effekt zu charakterisieren. Eine weitere Substanzklasse der hier untersuchten Übergangsmetallverbindungen stellen die verschiedenen Molybden- und Wolframkomplexe dar, die in den Teilprojekten B-3 und B-2 synthetisiert wurden. In diesem Zusammenhang wurden die FT-Raman- und –IR-Spektren von den polykristallinen Thioaldehyd-Komplexen mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CR2)] (R = H, D) aufgenommen und mit Dichtefunktionalrechnungen verglichen. Die Isotopenmarkierung lieferte eine klare Zuordnung der n(WC) und n(CS) Valenzstreckschwingungen, welche den partialen CS-Doppelbindungscharakter in diesen Verbindungen zeigte. Zudem konnte eine vollständige Analyse dieser Komplexe mit Hilfe der DFT-Rechnungen erlangt werden. NMR- und IR-Daten zeigten, daß bei einer Lösung von mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CH2)] ein Gleichgewicht stattfindet. Infolgedessen wurden die Energien der unterschiedlichen Stereo-Isomere von mer-[W(CO)3(dmpe)(h2-S=CH2)] untersucht, welche in sehr guter Übereinstimmung mit dem experimentellen Befund standen. Die Umsetzung der Phosphenium-Komplexe Cp(CO)2M=PR2 (M = W, Mo; R = tBu, Ph) mit Schwefel oder Selen lieferte entsprechende stabile [2+1]-Cycloaddukte in guten bis sehr guten Ausbeuten. FT-Ramanspektren von solchen Verbindungen wurden auf der Basis von Dichtefunktionalrechnungen aufgenommen und diskutiert. Diese Untersuchungen fanden in Zusammenarbeit mit Teilprojekt B-2 statt und hatten die Aufklärung der Bindungseigenschaften des Dreirings in diesen Komplexen zum Ziel. Die wichtigsten n(M-L) Valenzschwingungen konnten ebenso charakterisiert werden. Bei der UV-Bestrahlung von Cp(CO)2FeSiH2Me und Cp(CO)2FeCH2SiH3 sind verschiedene Photoprodukte bzw. Intermediate zu erwarten. In den Dissertationen von Claudia Fickert und Volker Nagel sind Veränderungen an den Raman- bzw. IR-Spektren der UV-Bestrahlungexperimente der matrixisolierten Substanzen vorgestellt und diskutiert worden. Dabei wurde die a-H-Umlagerung nach photochemischer Decarbonylierung als stabilstes Intermediat postuliert. Jedoch konnten keine eindeutigen Aussagen getroffen werden. Aufgrund dessen wurde die theoretische photochemisch induzierte Decarbonylierung und anschließenden Umlagerungen von Cp(CO)2FeSiH2Me und Cp(CO)2FeCH2SiH3 mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie behandelt und in einem Kapitel der vorliegenden Dissertation dargestellt. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden Raman-Spektren und quantenchemische Rechnungen an Di(2-Pyridyl)systemen durchgeführt, die im Teilprojekt D-4 synthetisiert wurden. Die Py2E--Anionen weisen eine außergewöhnliche Selektivität bezüglich der Metallkoordination auf. Um geeignete Vorläufermoleküle zur Darstellung dünner III/V-Schichten mittels MOCVD-Experimente darzustellen, wurde Py2NH und Py2PH mit Et3Al bzw. Me3Al umgesetzt. Ein deutlicher Unterschied zwischen Amid und Phosphid ist in der Reaktivität gegenüber einem weiteren Lewis-säuren Äquivalent Et3Al bzw. Me3Al zu erkennen. Das bivalente amidische Stickstoffatom ist im Gegensatz zum Phosphoratom zu einer weiteren Koordination befähigt, was mittels DFT- und MP2-Rechnungen belegt wurde. Der Py(Bth)P--Ligand in [Me2Al{Py(Bth)P}] kann als doppelter Hart/Weich-Chelatligand bezeichnet werden. Das Me2Al+-Fragment koordiniert über die „harte Seite“ des Liganden (den Pyridylstickstoffatomen), während die „weiche Seite“ als P-S-Chelatligand weiterhin in der Lage sein sollte, weiche Übergangsmetallkomplexfragmente [M] zu stabilisieren. Diese Verbindung wurde zum Teil mit den obengenannten Methoden charakterisiert und sollte in weiter untersucht werden. Die durchgeführten DFT-Rechnungen lieferten nicht nur eine Möglichkeit der Interpretation von Schwingungsspektren, sondern erlaubten auch den Vergleich berechneter Molekülgeometrien mit Daten von Kristallstrukturanalysen und lieferten wichtige Antworten zu verschiedenen Problemstellungen.
KW  - Übergangsmetallkomplexe
KW  - Ligand
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Isotopieeffekt
KW  - Dichtefunktionalformalismus
KW  - FT-Raman
KW  - Infrarot
KW  - Spektroskopie
KW  - DFT
KW  - Vinyliden-
KW  - Ethylen-
KW  - Isonitril-
KW  - Carbonyl-
KW  - Thioaldehyd-
KW  - Silyl-Komplexen
KW  - Rhodium
KW  - Wolfram
KW  - Eisen
KW  - FT-Raman
KW  - infrared
KW  - spectroscopy
KW  - DFT calculations
KW  - vinylidene complexes
KW  - carbonyl complexes
KW  - ethylene complexes
KW  - isonitrile complexes
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3101
ER  - 
TY  - THES
A1  - Harder, Tristan H.
T1  - Topological Modes and Flatbands in Microcavity Exciton-Polariton Lattices
T1  - Topologische Moden und Flachbänder in Mikrokavitäts-Exziton-Polariton-Gittern
N2  - The fascination of microcavity exciton-polaritons (polaritons) rests upon the combination of advanced technological control over both the III-V semiconductor material platform as well as the precise spectroscopic access to polaritonic states, which provide access to the investigation of open questions and complex phenomena due to the inherent nonlinearity and direct spectroscopic observables such as energy-resolved real and Fourier space information, pseudospin and coherence. The focus of this work was to advance the research area of polariton lattice simulators with a particular emphasis on their lasing properties. Following the brief introduction into the fundamental physics of polariton lattices in chapter 2, important aspects of the sample fabrication as well as the Fourier spectroscopy techniques used to investigate various features of these lattices were summarized in chapter 3. Here, the implementation of a spatial light modulator for advanced excitation schemes was presented. 
At the foundation of this work is the capability to confine polaritons into micropillars or microtraps resulting in discrete energy levels. By arranging these pillars or traps into various lattice geometries and ensuring coupling between neighbouring sites, polaritonic band structures were engineered. In chapter 4, the formation of a band structure was visualised in detail by investigating ribbons of honeycomb lattices. Here, the transition of the discrete energy levels of a single chain of microtraps to the fully developed band structure of a honeycomb lattice was observed. This study allows to design the size of individual domains in more complicated lattice geometries such that a description using band structures becomes feasible, as it revealed that a width of just six unit cells is sufficient to reproduce all characteristic features of the S band of a honeycomb lattice. In particular in the context of potential technological applications in the realms of lasing, the laser-like, coherent emission from polariton microcavities that can be achieved through the excitation of polariton condensates is intriguing. The condensation process is significantly altered in a lattice potential environment when compared to a planar microcavity. Therefore, an investigation of the polariton condensation process in a lattice with respect to the characteristics of the excitation laser, the exciton-photon detuning as well as the reduced trap distance that represents a key design parameter for polaritonic lattices was performed. Based on the demonstration of polariton condensation into multiple bands, the preferred condensation into a desired band was achieved by selecting the appropriate detuning. Additionally, a decreased condensation threshold in confined systems compared to a planar microcavity was revealed. 
In chapter 5, the influence of the peculiar feature of flatbands arising in certain lattice geometries, such as the Lieb and Kagome lattices, on polaritons and polariton condensates was investigated. Deviations from a lattice simulator described by a tight binding model that is solely based on nearest neighbour coupling cause a remaining dispersiveness of the flatbands along certain directions of the Brillouin zone. Therefore, the influence of the reduced trap distance on the dispersiveness of the flatbands was investigated and precise technological control over the flatbands was demonstrated. As next-nearest neighbour coupling is reduced drastically by increasing the distance between the corresponding traps, increasing the reduced trap distance enables to tune the S flatbands of both Lieb and Kagome lattices from dispersive bands to flatbands with a bandwidth on the order of the polariton linewidth. Additionally to technological control over the band structures, the controlled excitation of large condensates, single compact localized state (CLS) condensates as well as the resonant excitation of polaritons in a Lieb flatband were demonstrated. Furthermore, selective condensation into flatbands was realised. This combination of technological and spectroscopic control illustrates the capabilities of polariton lattice simulators and was used to study the coherence of flatband polariton condensates. Here, the ability to tune the dispersiveness from a dispersive band to an almost perfect flatband in combination with the selectivity of the excitation is particularly valuable. By exciting large flatband condensates, the increasing degree of localisation to a CLS with decreasing dispersiveness was demonstrated by measurements of first order spatial coherence. Furthermore, the first order temporal coherence of CLS condensates was increased from τ = 68 ps for a dispersive flatband, a value typically achieved in high-quality microcavity samples, to a remarkable τ = 459 ps in a flatband with a dispersiveness below the polarion linewidth. Corresponding to this drastic increase of the first order coherence time, a decrease of the second order temporal coherence function from g(2)(τ =0) = 1.062 to g(2)(0) = 1.035 was observed. Next to laser-like, coherent emission, polariton condensates can form vortex lattices. In this work, two distinct vortex lattices that can form in polariton condensates in Kagome flatbands were revealed. Furthermore, chiral, superfluid edge transport was realised by breaking the spatial symmetry through a localised excitation spot. This chirality was related to a change in the vortex orientation at the edge of the lattice and thus opens the path towards further investigations of symmetry breaking and chiral superfluid transport in Kagome lattices. 
Arguably the most influential concept in solid-state physics of the recent decades is the idea of topological order that has also provided a new degree of freedom to control the propagation of light. Therefore, in chapter 6, the interplay of topologically non-trivial band structures with polaritons, polariton condensates and lasing was emphasised. Firstly, a two-dimensional exciton-polariton topological insulator based on a honeycomb lattice was realised. Here, a topologically non-trivial band gap was opened at the Dirac points through a combination of TE-TM splitting of the photonic mode and Zeeman splitting of the excitonic mode. While the band gap is too small compared to the linewidth to be observed in the linear regime, the excitation of polariton condensates allowed to observe the characteristic, topologically protected, chiral edge modes that are robust against scattering at defects as well as lattice corners. This result represents a valuable step towards the investigation of non-linear and non-Hermitian topological physics, based on the inherent gain and loss of microcavities as well as the ability of polaritons to interact with each other. Apart from fundamental interest, the field of topological photonics is driven by the search of potential technological applications, where one direction is to advance the development of lasers. In this work, the starting point towards studying topological lasing was the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) model, since it combines a simple and well-understood geometry with a large topological gap. The coherence properties of the topological edge defect of an SSH chain was studied in detail, revealing a promising degree of second order temporal coherence of g(2)(0) = 1.07 for a microlaser with a diameter of only d = 3.5 µm. In the context of topological lasing, the idea of using a propagating, topologically protected mode to ensure coherent coupling of laser arrays is particularly promising. Here, a topologically non-trivial interface mode between the two distinct domains of the crystalline topological insulator (CTI) was realised. After establishing selective lasing from this mode, the coherence properties were studied and coherence of a full, hexagonal interface comprised of 30 vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) was demonstrated. This result thus represents the first demonstration of a topological insulator VCSEL array, combining the compact size and convenient light collection of vertically emitting lasers with an in-plane topological protection. 
Finally, in chapter 7, an approach towards engineering the band structures of Lieb and honeycomb lattices by unbalancing the eigenenergies of the sites within each unit cell was presented. For Lieb lattices, this technique opens up a path towards controlling the coupling of a flatband to dispersive bands and could enable a detailed study of the influence of this coupling on the polariton flatband states. In an unbalanced honeycomb lattice, a quantum valley Hall boundary mode between two distinct, unbalanced honeycomb domains with permuted sites in the unit cells was demonstrated. This boundary mode could serve as the foundation for the realisation of a polariton quantum valley Hall effect with a truly topologically protected spin based on vortex charges. Modifying polariton lattices by unbalancing the eigenenergies of the sites that comprise a unit cell was thus identified as an additional, promising path for the future development of polariton lattice simulators.
N2  - Die Faszination von Exziton-Polaritonen (Polaritonen) basiert auf der einzigartigen Kombination aus technologischer Kontrolle über die III-V Halbleiterplattform und umfassendem spektroskopischen Zugang zu polaritonischen Zuständen, die aufgrund ihrer inhärenten Nichtlinearität und vielfältigen Observablen, wie zum Beispiel Real- und Fourierraumspektren, Pseudospin und Kohärenz, Zugang zu diversen offenen Fragen und komplexen physikalischen Phänomenen bieten. Im Fokus dieser Arbeit lag die Weiterentwicklung von Polaritongittern als Simulatoren für diverse physikalische Phänomene. Dabei wurde insbesondere die das kohärente, Laser-artige Licht, das von Polaritonkondensaten ausgesendet wird, untersucht. Die Arbeit beginnt mit einer kurzen Zusammenfassung der für das Verständnis relevanten physikalischen Grundlagen in Kapitel 2, gefolgt von einer Beschreibung der Probenherstellung sowie der spektroskopischen Methoden, die für die Untersuchung der polaritonischen Gitter verwendet wurden, in Kapitel 3. Hier wurde insbesondere die Implementierung eines Spatial Light Modulators für die Erzeugung beliebig definierbarer Anregungsmuster präsentiert. 
Diese Arbeit basiert auf der Fähigkeit, Einschlusspotentiale in Form von Mikrotürmchen oder Mikrofallen für Polaritonen zu erzeugen, die zu einem diskretisierten Modenspektrum führen. Wird nun ein Gitter aus solchen Türmchen oder Fallen hergestellt, führt die Kopplung zwischen benachbarten Gitterpositionen zur Ausbildung von Bandstrukturen. Die Ausbildung einer solchen Bandstruktur wurde in Kapitel 4 anhand von Streifen eines Honigwabengitters veranschaulicht. Dabei konnte der Übergang vom diskreten Energiespektrum einer eindimensionalen Kette bis hin zur vollständig ausgebildeten Bandstruktur eines Honigwabengitters dargestellt werden. Diese systematische Untersuchung ermöglicht das gezielte Design neuer, komplizierterer Gittergeometrien, die aus verschiedenen Domänen bestehen, da gezeigt werden konnte, dass eine Domänengröße von sechs Einheitszellen ausreicht, um eine Bandstruktur zu erzeugen. Neben der Ausbildung von Bandstrukturen in Gittern ist das Phänomen der Polaritonkondensation, das zur Emission von kohärenter Strahlung führt, besonders spannend, da es in direktem Bezug zu möglichen technologischen Anwendungen als Laser steht. Da sich der Kondensationsprozess in einem Gitter grundsätzlich vom Kondensationsprozess in einer planaren Kavität unterscheidet, wurde dieser detailliert untersucht. Hierbei wurde insbesondere der Einfluss des Anregungslasers, der Verstimmung zwischen Exziton und Photon, sowie des reduzierten Fallenabstandes, der einen wichtigen Parameter im Design neuer Gitter darstellt, untersucht. Im Rahmen dieser Untersuchung konnte die Polaritonkondensation in mehrere Bänder nachgewiesen werden. Außerdem wurde selektive Kondensation in ein gewünschtes Band durch die Wahl einer geeigneten Verstimmung zwischen Exziton und Photon erreicht. Abschließend konnte eine Verringerung der Kondensationsschwelle in einem Gitter gegenüber einer planaren Kavität nachgewiesen werden. 
Ein bemerkenswertes Phänomen, das zum Beispiel in den Bandstrukturen von Lieb- und Kagomegittern auftritt, sind Flachbänder, deren Einfluss auf Polaritonen und Polaritonkondensate, insbesondere in Bezug zu ihren Kohärenzeigenschaften, in Kapitel 5 untersucht wurde. Abweichungen von einem Gittersimulator, der sich mit einem Tight Binding Modell, das nur Kopplung zwischen nächsten Nachbarn berücksichtigt, beschreiben lässt, führen dazu, dass Flachbänder entlang bestimmter Richtungen in der Brillouinzone dispersiv werden. Mit einer Untersuchung des Einflusses des reduzierten Fallenabstandes auf Flachbänder konnte technologische Kontrolle über diese Dispersivität gezeigt werden. Da die Kopplung zwischen übernächsten Nachbarn mit steigendem Abstand zwischen den Fallen stark abnimmt, lassen sich die Flachbänder in den S Bändern von Lieb und Kagomegittern von dispersiven in nahezu perfekte Flachbänder, deren Bandbreite in der Größenordnung der polaritonischen Linienbreite liegt, überführen, indem der reduzierte Fallenabstand vergrößert wird. Zusätzlich zur technologischen Kontrolle über die Dispersivität der Flachbänder wurde die kontrollierte Anregung von großen Flachbandkondensaten, Kondensaten in einzelnen Compact Localised States (CLS), sowie die resonante Anregung von Polaritonen in einem Lieb Flachband demonstriert. Insbesondere für das Flachband des Kagomegitters konnte selektive Kondensation realisiert werden. Diese Kombination aus technologischer und spektroskopischer Kontrolle verdeutlicht das Potential polaritonischer Gittersimulatoren. Aufbauend auf der Kontrolle über polaritonische Flachbänder wurde die Kohärenz von Flachbandkondensaten untersucht. In diesem Zusammenhang erwies sich die Kombination aus der Möglichkeit, die Dispersivität des Flachbandes zu beeinflussen, und der selektiven Kondensation als besonders wertvoll. Durch interferometrische Messungen an großen Flachbandkondensaten konnte gezeigt werden, dass sich die Kohärenz mit abnehmender Dispersivität des Flachbandes auf einen CLS lokalisiert. Außerdem konnte eine Steigerung der Kohärenzzeit von τ = 68 ps, einem für hochwertige Mikrokavitäten typischen Wert, in einem dispersiven Flachband zu beeindruckenden τ = 459 ps in einem Flachband, dessen Dispersivität kleiner als die polaritonische Linienbreite ist, gezeigt werden. Passend zu dieser deutlichen Steigerung der Kohärenzzeit erster Ordnung konnte eine Abnahme der Kohärenzfunktion zweiter Ordnung von g(2)(τ =0) = 1.062 zu g(2)(0) = 1.035 beobachtet werden. Neben den mit einem Laser vergleichbaren Emissionseigenschaften können Polaritonkondensate Gitter aus Vortices ausbilden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Vortexgitter nachgewiesen. Außerdem konnte durch Symmetriebrechung mittels eines lokalisierten Anregungslasers chiraler, superfluider Randtransport realisiert werden. Diese Chiralität konnte mit einer Änderung der Vortexausrichtung am Rand des Gitters in Verbindung gebracht werden und motiviert daher weitere Untersuchungen zu Symmetriebrechung und chiralem, superfluidem Transport in Kagomegittern. 
Das vermutlich einflussreichste Konzept in der Festkörperphysik der letzten Jahrzehnte ist die Idee einer topologischen Ordnung, die auch einen neuen Freiheitsgrad zur Kontrolle der Propagation von Licht bietet. Daher wurde in Kapitel 6 das Zusammenspiel aus topologisch nicht-trivialen Bandstrukturen und Polaritonen, Polarionkondensaten und Lasern untersucht. Zuerst wurde ein zweidimensionaler, polaritonischer, topologischer Isolator, der auf einem Honigwabengitter basiert, realisiert. Die topologisch nicht-triviale Bandlücke wurde durch eine Kombination aus einer Modenaufspaltung zwischen der transversal-elektrischen und der transversal-magnetischen Komponente der photonischen Mode sowie einer Zeeman-Aufspaltung der exzitonischen Mode geöffnet. Da die Bandlücke zu klein gegenüber der Linienbreite war, um sie im linearen Regime nachweisen zu können, wurden Polaritonkondensate angeregt. Mithilfe dieser Kondensate war es möglich, die charakteristischen, topologisch geschützten, chiralen Randmoden, die robust gegenüber Rückstreuung und Streuung an Defekten sowie den Ecken des Gitters sind, nachzuweisen. Dieses Ergebnis stellt einen wichtigen Schritt in der Untersuchung nicht-linearer und nichthermitischer, topologischer Systeme dar, da Mikrokavitäten eine intrinsische Nichtlinearität aufweisen und Polaritonen untereinander wechselwirken können. Neben dem fundamentalen Interesse wird das Feld der topologischen Photonik vor allem durch die Suche nach neuen technologischen Anwendungen vorangetrieben. Eine wichtige Forschungsrichtung ist dabei die Entwicklung neuer Laser. In dieser Arbeit war der Ausgangspunkt für die Untersuchung topologischer Laser das Su-Schrieffer-Heeger (SSH) Modell, da es eine einfache, gut verstandene Geometrie und eine große topologische Bandlücke bietet. Die Kohärenzeigenschaften des topologischen Randdefekts in SSH Ketten wurden detailliert untersucht und ein Grad zeitlicher Kohärenz zweiter Ordnung von g(2)(0) = 1.07 erreicht. Für einen Mikrolaser mit einem Durchmesser von nur d = 3.5 µm ist dies ein sehr gutes Ergebnis. Besonders vielversprechend in der Entwicklung topologischer Laser ist allerdings vor allem die kohärente Kopplung vieler Laser mithilfe einer propagierenden, topologisch geschützten Mode. Um diese Kopplung zu untersuchen wurde eine topologisch nichttriviale Mode an der Domänengrenze zwischen zwei kristallinen, topologischen Isolatoren implementiert. Nachdem selektive Laseremission aus dieser Mode erreicht wurde, wurden insbesondere die Kohärenzeigenschaften untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass 30 vertikal emittierende Laser, die eine geschlossene, hexagonale Domänengrenze bilden, kohärent gekoppelt werden können. Dieser erste Nachweis eines topologisch geschützten Gitters aus gekoppelten, vertikal emittieren Lasern überzeugt vor allem durch die Kombination der kompakten Bauform und einfachen Bündelung der Laseremission vertikal emittierenden Laser mit dem topologischen Schutz der zwischen den Lasern propagierenden Mode. 
Zuletzt wurde in Kapitel 7 untersucht, wie die Bandstrukturen von Lieb- und Honigwabengittern durch die Einführung eines Energieunterschiedes zwischen den Untergittern gezielt verändert werden können. In Liebgittern bietet diese Technologie einen Weg, die Kopplungsumgebung des Flachbandes drastisch zu ändern, da das Flachband nun nicht mehr einen Dirac-Punkt mit linearer Dispersion schneidet, sondern ein dispersives Band an einem Potentialminimum berührt. In Honigwabengittern konnte eine Quantum Valley Hall Mode an der Grenzfläche zwischen zwei Domänen mit invertiertem Untergitter gezeigt werden. Diese Mode könnte die Basis für die Entwicklung eines Quantum Valley Hall Zustandes mit echtem topologischem Schutz auf der Basis von Vortizes bilden. Eine Variation der Eigenenergien der Untergitter stellt also einen vielversprechenden, weiteren Weg für zukünftige Experimente mit polaritonischen Gittersimulatoren dar.
KW  - Exziton-Polariton
KW  - Topologie
KW  - Laser
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Topologische Laser
KW  - Gittersimulator
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259008
ER  -