Wechselwirkung hochgeladener Ionen mit Festkörpern

Seit Beginn meiner wissenschaftlichen Arbeit beschäftige ich mich mit der experimentellen und theoretischen Untersuchung der Wechselwirkung von meist langsamen hochgeladenen Ionen mit Festkörperoberflächen. Beginnend mit der Beschreibung der Elektronenemissionsstatistik basierend auf dem Classical-Over-the-Barrier-Modell [1], über die Koinzidenzmessung gestreuter Projektile mit der Anzahl emittierter Elektronen [2] bis zur Modellierung von Oberflächen-Modifikationen aufgrund lokalen Aufschmelzens des Kristalls durch Ioneneinschlag konnten zahlreiche Projekte umgesetzt werden [3,4].

Derzeit beschäftigen wir uns mit der Deposition der potentiellen Energie hochgeladener Ionen rund um den Einschlagpunkt und den daraus resultierenden Veränderungen der Struktur von 2- und 3-dimensionalen Kristallen. Experimentelle Ergebnisse der Arbeitsgruppe Wilhelm am IAP konnten in enger Kollaboration der Arbeitsgruppen simuliert werden, an weiteren Projekten in diesem Gebiet wird derzeit gearbeitet (Projektarbeiten jederzeit möglich).

[1] J. Burgdörfer, P. Lerner, F.W. Meyer, Phys. Rev. A 44, 5674 (1991), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

[2] C. Lemell, J. Stöckl, J. Burgdörfer, G. Betz, HP. Winter, and F. Aumayr, Phys. Rev. Lett. 81, 1965 (1998), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

[3] A. S. El-Said, R. A. Wilhelm, R. Heller, S. Facsko, C. Lemell, G. Wachter, J. Burgdörfer, R. Ritter, F. Aumayr, Phys. Rev. Lett. 109, 117602 (2012), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

[4] A. Sagar Grossek, A. Niggas, R.A. Wilhelm, F. Aumayr, C. Lemell, Nano Lett. 22, 9679 (2022), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

Ionen mit unterschiedlicher potentieller Energie treffen auf Oberflächen.

Szenario für die Oberflächenmodifikation als Funktion der Ladung q oder, äquivalent, der potenziellen Energie von hochgeladenen Ionen. In Abhängigkeit vom Ladungszustand entstehen nicht ätzbare Einzeldefekte (niedrige Ladung; linke Spalte), ätzbare Defektansammlungen (mittlere Spalte), bis zu deutlich erkennbaren Erhebungen (hohe Ladung; rechte Spalte). Bild aus [3]

Wechselwirkung intensiver, ultrakurzer Laserpulse mit Materie

Bei der Wechselwirkung starker Felder mit Materia kommt es zu nichtlinearen Effekten, die eine Reihe interessanter Prozesse in Gang setzen. Unsere Arbeit reicht dabei vom Studium des Photoelektron-Spektrums von Atomen, zweiatomiger Moleküle, sehr spitzer Metallnadeln oder Metalloberflächen [1-3] bis zur Emission hochfrequenter Strahlung ("High Harmonics Generation") aus Atomen, Molekülen und Festkörpern [4,5]. Dazu untersuchen wir auch den Ladungstransport in Isolatoren unter Einfluss starker Laserfelder [6]. Zur Simulation dieser Prozesse verwenden wir semiklassische Methoden, lösen die zeitabhängige Schrödingergleichung oder bilden die Systeme in großen Programmpaketen für zeitabhängige Dichtefunktionalrechnungen nach. Alle Forschung in diesem Gebiet erfolgt in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen.

[1] A. Suñer-Rubio, C. Lemell, R.Y. Bello, J. Burgdörfer, A. Palacios, F. Martín, Phys. Rev. Res. 6, L022066 (2024), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

[2] M. Krüger, C. Lemell, G. Wachter, J. Burgdörfer, P. Hommelhoff, J. Phys B 51, 172001 (2018), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

[3] D. Potamianos, M. Schnitzenbaumer, C. Lemell, P. Scigalla, F. Libisch, E. Schock-Schmidtke, M. Haimerl, C. Schröder, M. Schäffer, J.T. Küchle, J. Riemensberger, K. Eberle, Y. Cui, U. Kleineberg, J. Burgdörfer, J.V. Barth, P. Feulner, F. Allegretti, R. Kienberger, Science Adv. 10, eado0073 (2024), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

[4] M. Monfared, E. Irani, C. Lemell, J. Burgdörfer, Phys. Rev. A 106, 053108 (2022), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

[5] I. Floss, C. Lemell, K. Yabana, J. Burgdörfer, J. Phys.: Conf. Ser. 1412, 082007 (2020), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

[6] M. Ossiander, K. Golyari, K. Scharl, L. Lehnert, F. Siegrist, J.P. Bürger, D. Zimin, J.A. Gessner, M. Weidman, I. Floss, V. Smejkal, S. Donsa, C. Lemell, F. Libisch, N. Karpowicz, J. Burgdörfer, F. Krausz, M. Schultze, Nature Comm. 13, 1620 (2022), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

Veränderung eines High harmonics-Spektrums durch Propagation in einem Isolator

Spektrum (log-Skala) hoher Harmonischer induziert in Diamant durch einen intensiven, ultrakurzen Laserpuls. Durch die Propagation im Medium verändert sich das Spektrum als Funktion der Position in dem 1 µm dicken Kristall (Bild aus [5]).

Lehrtätigkeit

  • Angewandte Quantenmechanik (132.070)
  • (Introduction to) Quantum Physics: Basic Concepts and Foundations (194.171, 194.169)
  • Wissenschaftliches Programmieren (138.089)
  • Numerische Methoden und Simulation (138.094)
  • Statistische Physik II (132.065, 136.050)

Publikationen

Publikationen in TU-Datenbasis, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster