Laser written mirror profiles for open-access fiber Fabry-P\'erot microcavities

We demonstrate laser-written concave hemispherical structures produced on the endfacets of optical fibers that serve as mirror substrates for tunable open-access microcavities. We achieve finesse values of up to 250, and a mostly constant performance across the entire stability range. This enables cavity operation also close to the stability limit, where a peak quality factor of $1.5\times 10^4$ is reached. Together with a small mode waist of $2.3\; \mathrm{\mu m}$, the cavity achieves a Purcell factor of $C \sim 2.5$, which is useful for experiments that require good lateral optical access or otherwise large separation of the mirrors. Laser-written mirror profiles can be produced with a tremendous flexibility in shape and on various surfaces, opening new possibilities for microcavities.Comment: 8 pages, 3 figure

Multi-layered stochasticity and paracrine signal propagation shape the type-I interferon response

Live-cell imaging and mathematical modelling of the type-I interferon response to viral infection reveal that multiple layers of the cellular response are stochastic events in individual cells, while paracrine propagation of the IFN signal results in reliable antiviral protection

Ladungsträgerdynamik und Photoströme im Dirac-Kegel topologischer Isolatoren

In dieser Dissertation werden Experimente vorgestellt und diskutiert, die einen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der ultraschnellen Dynamik von Elektronen und Photoströmen im topologisch geschützten Oberflächenzustand dreidimensionaler topologischer Isolatoren leisten. Am Wichtigsten im Hinblick auf künftige Anwendungen ist dabei vermutlich die Entdeckung, dass sich mit THz-Strahlung in solchen Oberflächenzuständen elektrische Ströme treiben lassen, bei denen spinpolarisierte Elektronen Distanzen von einigen hundert Nanometern nahezu verlustfrei ballistisch überwinden. Auf dieser Basis lässt sich möglicherweise eine neue, Lichtwellen-getriebene Elektronik realisieren, die um drei und mehr Größenordnungen schneller wäre als die derzeitige Elektronik, deren Taktfrequenz auf den GHz-Bereich beschränkt ist. Die vorgestellten Experimente basieren auf der zeit- und winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie und wurden insbesondere an den Materialien Sb2Te3 und Bi2Te3 durchgeführt, die zu den wichtigsten Prototypen dreidimensionaler topologischer Isolatoren gehören. Für die transiente Anregung von Elektronen und Photoströmen im topologisch geschützten Oberflächenzustand dieser Materialien wurden neue experimentelle Ansätze unter Verwendung ultrakurzer Laserimpulse im mittleren Infrarot (MIR) und im THz-Bereich entwickelt. Damit konnten grundlegend neue Erkenntnisse zu drei verschiedenen Themenkomplexen erzielt werden. Zunächst konnte durch die winkelaufgelöste Zweiphotonen-Photoemission (2PPE) mit Anregungsenergien im Sichtbaren erstmals die Existenz eines Dirac-Kegels in der Bandlücke von Sb2Te3 und Sb2Te2Se unzweifelhaft nachgewiesen werden. Aufgrund der intrinsischen p-Dotierung ist dieser fast vollständig unbesetzt und damit für die konventionelle winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie nicht zugänglich. Durch zeitaufgelöste Messungen konnte gezeigt werden, dass die Lebensdauer der angeregten Elektronen im Dirac-Kegel beider Materialien vor allem durch die Streuung mit Elektronen im teilweise unbesetzten Volumen-Valenzband der p-dotierten Kristalle begrenzt wird. Aus temperaturabhängigen Messungen konnte gefolgert werden, dass die Elektron-Phonon-Streuung von untergeordneter Bedeutung ist, für bestimmte Anregungsenergien im Oberflächenzustand dagegen die Kopplung an das Volumen-Leitungsband einen starken Einfluss auf die beobachtete Dynamik hat. Durch den Einsatz von Laserimpulsen im mittleren Infrarot konnte in Sb2Te3 ferner erstmals eine direkte optische Anregung eines topologischen Oberflächenzustands demonstriert werden. Dabei zeigt sich, dass sich für Photonenenergien um 0,3 eV reII sonante optische Übergänge zwischen dem besetzten und unbesetzten Teil des Dirac- Kegels induzieren lassen. Diese niederenergetische, direkte Anregung resultiert einerseits in einer bezüglich der Zeit und der Energie stark lokalisierten Besetzung des Oberflächenzustands. Der Zerfall der Besetzung konnte auf diese Weise viel gezielter untersucht werden, als es die indirekte und verzögerte Besetzung nach sichtbarer Anregung erlaubt. Andererseits konnte so für geeignet orientierte Proben eine stark asymmetrische Verteilung im Impulsraum geschaffen werden, was eine Voraussetzung für die Erzeugung von Photoströmen ist. Durch die zeitaufgelöste Beobachtung der Umverteilung der Besetzung im Impulsraum konnte die für den Stromtransport entscheidende elastische Impulsstreuung der Elektronen isoliert und quantifiziert werden. Die auf diese Weise bestimmte effektive Streuzeit ist mit 2,5 ps viel länger als auf Oberflächen konventioneller Materialien und bestätigt experimentell, dass die spezielle Spinstruktur des Dirac-Kegels tatsächlich mit einer starken Einschränkungen für die Impulsstreuung einhergeht. Für bestimmte azimutale Orientierungen der Probe konnte über die Helizität der Anregungsimpulse außerdem eine Variation sowohl der Richtung als auch der Stärke der Asymmetrie erzielt werden, was für die optische Kontrolle von Photoströmen von großem Interesse ist. Schließlich konnte in enger Kooperation mit der Gruppe von Rupert Huber an der Universität Regensburg ein völlig neuartiges zeit- und winkelaufgelöstes Photoemissionsexperiment realisiert werden. In diesem Experiment werden Elektronen im topologischen Oberflächenzustand durch das elektrische Feld eines intensiven THz- Impulses beschleunigt und mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie mit Subzyklen- Zeitauflösung im Impulsraum beobachtet. Die Apparatur zur Photoelektronenspektroskopie aus Marburg wurde dazu mit dem Laseraufbau der Huber-Gruppe in Regensburg kombiniert. Mit den verwendeten THz-Impulsen bei einer Frequenz um 1 THz und einer Energie von 1 μJ pro Impuls konnten elektrische Feldstärken von bis zu 2,8 kV/cm entlang der Oberfläche von Bi2Te3 Proben erreicht werden. Dieses Feld führt zu einer deutlichen Beschleunigung der Elektronen im Oberflächenzustand und zu einer Verschiebung des gesamten Fermikreises im Impulsraum um bis zu 7% des Fermiwellenvektors. Damit verbunden ist eine kurzzeitig sehr hohe Oberflächenstromdichte von 2 A/cm. Ein für die zeitaufgelöste Photoemission neuer, experimenteller Aspekt der THz- Anregung besteht darin, dass die Wechselwirkung der elektrischen THz-Felder mit den photoemittierten Elektronen auch außerhalb der Probe nicht vernachlässigbar ist. Es wurden Verfahren entwickelt, mit denen die Photoelektronenspektren sehr genau korrigiert werden konnten, sodass die THz-Felder im Vakuum keine Einschränkung für die Energie- und Winkelauflösung der Messdaten darstellten. Gleichzeitig konnte mit diesen Verfahren sowohl die absolute Amplitude als auch der genaue Zeitverlauf des elektrischen Feldes an der Oberfläche in situ bestimmt werden. III Die genaue Kenntnis des Feldes ermöglicht es, aus der zeitaufgelösten Beobachtung der Elektronenverteilung im Oberflächenzustand, die charakteristischen Streuzeiten für elastische und inelastische Elektronenstreuung zu bestimmen. Dazu wurde die gemessene Elektronenverteilung mit semiklassischen Rechnungen unter Verwendung der Boltzmann-Gleichung verglichen. In Bi2Te3 liegen die Streuzeiten in der Größenordnung von 1 ps oder sogar darüber. Es zeigt sich also auch bei einer solchen, echten Transportmessung in der Zeitdomäne, dass die Streuzeit für den ballistischen Elektronentransport in einem topologisch geschützten Oberflächenzustand um mehr als zwei Größenordnungen länger als in konventionellen Materialien ist. Zusammen mit der trägheitsfreien Beschleunigung der Elektronen im quasirelativistischen Dirac-Kegel ergeben sich damit mittlere freie Weglängen für den ballistischen Transport von einigen hundert Nanometern. Außerdem laufen Elektronenimpulse aufgrund der linearen Dispersion räumlich nicht auseinander. Beide Eigenschaften sind für die Realisierung einer ultraschnellen Elektronik äußert vorteilhaft. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit erscheint es vielversprechend, topologische Isolatoren als Basis für die Entwicklung zukünftiger Lichtwellen-getriebener elektronischer Bauteile zu nutzen, die mit THz-Taktfrequenzen arbeiten

Drone Strike on a Helicopter Canopy Demonstrator

The evaluation of structures under impact where large-scale projectiles like birds or drones are involved needs analyses at full-scale. The reason is that size effects can yet not be scaled from smaller samples. Hence, a canopy demonstrator with representative dimensions of a medium sized helicopter was developed. The two objectives for the demonstrator were the design development of a purely bonded windshield concept and the sizing of the windshield. For the windshield, polycarbonate (PC) was used while the carbon fibre reinforced plastics (CFRP) composite frame was adhesively bond by polyurethane. The experimental results of bird impact tests at different temperatures were used to validate the modelling and simulation approach for the final component design in the real 3d design. For the drone strike analysis, drone configurations and sizes were analysed. The work was then focused on the widely applied quadcopter configuration. Several steps were taken to validate the material and structural behaviour of the selected drone. With the generated quadcopter model, several loading conditions on a fast compound helicopter were modelled and the impact of the drone was applied. For the first experiment of a quadcopter drone strike on a plastics windshield a critical impact load case was selected. To further improve modelling and simulation, there was applied a path for the correlation by means of an instrumentation by force measurement

Heat transport at the nanoscale and ultralow temperatures -- implications for quantum technologies

International audienceIn this perspective, we discuss thermal imbalance and the associated electron-mediated thermal transport in quantum electronic devices at very low temperatures. We first present the theoretical approaches describing heat transport in nanoscale conductors at low temperatures, in which quantum confinement and interactions play an important role. We then discuss the experimental techniques for generating and measuring heat currents and temperature gradients on the nanoscale. Eventually we review the most important quantum effects on heat transport, and discuss implications for quantum technologies and future directions in the field