HELIOS – High Energy Laser Induced Overtone Source

I HELIOS-laboratoriet studerar vi den tidsmässiga evolutionen av elektroniska processer på en atomär och/eller molekylär skala. Dessa experiment kallas oftast tidsupplösta eller pump-probe experiment.

I ett pump-probe-experiment används först en pump-puls för att på något sätt störa ett prov. Därefter används ytterligare en fotonpuls efter en föränderlig tid för att undersöka hur den inledande störningen har utvecklats över tiden. Den sonderar hur pump-pulsen har interagerat med provet och kallas därför för probe-puls (”sond-puls”). En stor del av den högupplösta pump-probe spektroskopin i världen idag använder (och har använt) två laserpulser som i sin tur ger extremt hög tidsupplösning och också molekylär information.

I HELIOS-laboratoriet har vi valt ett något annorlunda tillvägagångssätt. Vi använder en kommersiell laser (pulsad med pulslängder < 35 fs) för att generera ultrakorta XUV-pulser (Extreme Ultraviolet radiation) som probe-puls. Den här tekniken kallas High Harmonic Generation (HHG) och leder till XUV-pulser på < 20 fs. För att få en känsla för hur kort femtosekundtidsskalan är kan man göra följande jämförelse: 1 femtosekund är för 1 sekund som 1 sekund är för 32 miljoner år. Dessa tidsskalor är alltså nästintill omöjliga att föreställa sig.

XUV-fotoner producerade vid HELIOS har ett avsevärt övertag jämfört med ”traditionellt laserljus”, nämligen deras energi, vilken ligger i området 20 eV till 72 eV. Detta möjliggör utförandet av rimlig fotoelektronspektroskopi vilket är mycket svårt med traditionell laser-laser pump-probe. Dessutom kan man ibland använda olika egenskaper hos elektronskalen för olika grundämnen för att särskilja dem från andra grundämnen i ett spektrum. Detta gör att man kan följa en process initierad av pump-pulsen med grundämnesspecificitet.

Nuvarande status

Idag är HELIOS en fungerande uppställning. Vi genererar XUV-fotoner dagligen och vi har visat att pump-probe-delen av HELIOS fungerar som förväntat.

Vår målsättning är att täcka en omfattande mängd av experimentella fält, såsom

Elektrondynamik i vätskemiljö
Ultrasnabb (av)magnetisering
Elektrondynamik i energirelevanta material, t.ex. solceller och batterier
Transient ARPES (Angular Resolved Photoelectron Spectroscopy)
Artificiell fotosyntes
Fundamental fysik (gasfasdynamik)

HELIOS är byggd för att rymma olika typer av experimentkammare med olika spektrometrar såväl som prover och vakuumkrav. Eftersom vi påstod att HELIOS rutinmässigt producerar XUV-fotoner skulle vi gärna vilja dela med oss av en bild av detta, så i figuren nedan kan du se ett typiskt HHG-spektrum.

Nedan är en schematisk skiss över hela den experimentella uppställningen. I båda foci är det möjligt att montera en valfri experimentstation som fysiskt passar.

För tillfället finns två experimentstationer tillgängliga vid HELIOS. Den ena är en internt utvecklad reflektometer huvudsakligen använd för studier av magnetiska material (tidsupplösta T-MOKE-mätningar). Den andra kommer snart att utrustas med en semi-permanent monterad ARTOF elektronspektrometer använd för vinkel- och tidsupplöst fotoelektronspektroskopi av fasta material i ultrahögt vakuum (UHV) såväl som för mätningar på gaser.

Publications

2021

Optical and extreme UV studies of spin dynamics in metallic and insulating ferrimagnets
H. Liu, R. Knut, S. Saha, R. S. Malik, K. Jatkar, R. Stefanuik, J. Söderström, J. E. Shoup, Durga Khadka, T. R. Thapaliya, S. X. Huang, A. Gupta, O. Karis, D. Karaiskaj, and D. A. Arena
Journal of Applied Physics 130, 240901 (2021)

Ultrafast magnetization dynamics in the half-metallic Heusler alloy Co2FeAl
R. S. Malik, E. K. Delczeg-Czirjak, R. Knut, D. Thonig, I. Vaskivskyi, D. Phuyal, R. Gupta, S. Jana, R. Stefanuik, Y. O. Kvashnin, S. Husain, A. Kumar, P. Svedlindh, J. Söderström, O. Eriksson, and O. Karis
Phys. Rev. B 104, L100408 (2021)

Element-Specific Magnetization Dynamics in Co–Pt Alloys Induced by Strong Optical Excitation
Igor Vaskivskyi, Rameez Saeed Malik, Leandro Salemi, Diego Turenne, Ronny Knut, Jeffrey Brock, Robert Stefanuik, Johan Söderström, Karel Carva, Eric E. Fullerton, Peter M. Oppeneer, Olof Karis, Hermann A. Dürr
J. Phys. Chem. C 2021, 125, 21, 11714 (2021)

2020

Analysis of the linear relationship between asymmetry and magnetic moment at the M edge of 3d transition metals
Somnath Jana, R. S. Malik, Yaroslav O. Kvashnin, Inka L. M. Locht, R. Knut, R. Stefanuik, Igor Di Marco, A. N. Yaresko, Martina Ahlberg, Johan Åkerman, Raghuveer Chimata, Marco Battiato, Johan Söderström, Olle Eriksson, and Olof Karis
Phys. Rev. Research 2, 013180 (2020)

2018

Developments and enhancements to the HELIOS pump probe system
Robert Stefanuik, Ronny Knut, Somnath Jana, Joachim A. Terschlüsen, Anders Sandell, Johan Söderström
Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 224, 33 (2018)

2017

A setup for element specific magnetization dynamics using the transverse magneto-optic Kerr effect in the energy range of 30-72 eV
Somnath Jana, Joachim Andreas Terschlüsen, Robert Stefanuik, Stefan Plogmaker, Sara Troisi, Rameez S. Malik, Mathias Svanqvist, Ronny Knut, Johan Söderström, Olof Karis
Review of Scientific Instruments 88 (3), 033113 (2017)

2016

Constructing and Commissioning HELIOS – A High Harmonic Generation Source for Pump-Probe Measurements with sub 50 fs Temporal Resolution: The Development of Experimental Equipment for Extreme Ultraviolet Spectroscopy
Doctoral thesis – Joachim A. Terschlüsen

Electronic structure dynamics in a low bandgap polymer studied by time-resolved photoelectron spectroscopy
Phys. Chem. Chem. Phys., 2016,18, 21921-21929
Ute B. Cappel, Stefan Plogmaker, Joachim A. Terschlüsen, Torsten Leitner, Erik M. J. Johansson, Tomas Edvinsson, Anders Sandell, Olof Karis, Hans Siegbahn, Svante Svensson, Nils Mårtensson, Håkan Rensmo and Johan Söderström

2015

HELIOS—A laboratory based on high-order harmonic generation of extreme ultraviolet photons for time-resolved spectroscopy
Rev. Sci. Instrum. 86, 123107 (2015); http://dx.doi.org/10.1063/1.4937463
S. Plogmaker, J. A. Terschlüsen, N. Krebs, M. Svanqvist, J. Forsberg, U. B. Cappel, J.-E. Rubensson, H. Siegbahn and J. Söderström

2014

Measuring the temporal coherence of a high harmonic generation setup employing a Fourier transform spectrometer for the VUV/XUV
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Volume 768, 21 December 2014, Pages 84–88
J. A. Terschlüsen, M. Agåker, M. Svanqvist, S. Plogmaker, J. Nordgren, J.-E. Rubensson, H. Siegbahn, J. Söderström

2012

Techniques and Application of Electron Spectroscopy Based on Novel X-ray Sources
Doctoral Thesis – Stefan Plogmaker

Kontakt

Programansvarig professor energimateriens fysik
Håkan Rensmo
Avdelningsföreståndare röntgenfysik
Nicusor Timneanu