Generalized 4 ×\times 4 Matrix Formalism for Light Propagation in Anisotropic Stratified Media: Study of Surface Phonon Polaritons in Polar Dielectric Heterostructures

We present a generalized 4 $\times$ 4 matrix formalism for the description of light propagation in birefringent stratified media. In contrast to previous work, our algorithm is capable of treating arbitrarily anisotropic or isotropic, absorbing or non-absorbing materials and is free of discontinous solutions. We calculate the reflection and transmission coefficients and derive equations for the electric field distribution for any number of layers. The algorithm is easily comprehensible and can be straight forwardly implemented in a computer program. To demonstrate the capabilities of the approach, we calculate the reflectivities, electric field distributions, and dispersion curves for surface phonon polaritons excited in the Otto geometry for selected model systems, where we observe several distinct phenomena ranging from critical coupling to mode splitting, and surface phonon polaritons in hyperbolic media

Femtosecond electrons probing currents and atomic structure in nanomaterials

The investigation of ultrafast electronic and structural dynamics in low-dimensional systems like nanowires and two-dimensional materials requires femtosecond probes providing high spatial resolution and strong interaction with small volume samples. Low-energy electrons exhibit large scattering cross sections and high sensitivity to electric fields, but their pronounced dispersion during propagation in vacuum so far prevented their use as femtosecond probe pulses in time-resolved experiments. Employing a laser-triggered point-like source of either divergent or collimated electron wave packets, we developed a hybrid approach for femtosecond point projection microscopy and femtosecond low-energy electron diffraction. We investigate ultrafast electric currents in nanowires with sub-100 femtosecond temporal and few 10 nm spatial resolutions and demonstrate the potential of our approach for studying structural dynamics in crystalline single-layer materials.Comment: 18 pages, 4 figures, includes 8 pages supplementary informatio

Low-temperature infrared dielectric function of hyperbolic α\alpha-quartz

We report the infrared dielectric properties of $\alpha$-quartz in the temperature range from $1.5\ \mathrm{K}$ to $200\ \mathrm{K}$. Using an infrared free-electron laser, far-infrared reflectivity spectra of a single crystal $y$-cut were acquired along both principal axes, under two different incidence angles, in S- and P-polarization. These experimental data have been fitted globally for each temperature with a multioscillator model, allowing to extract frequencies and damping rates of the ordinary and extraordinary, transverse and longitudinal optic phonon modes, and hence the temperature-dependent dispersion of the infrared dielectric function. The results are in line with previous high-temperature studies, allowing for a parametrized description of all temperature-dependent phonon parameters and the resulting dielectric function from $1.5\ \mathrm{K}$ up to the $\alpha$-$\beta$-phase transition temperature, $T_C = 846\ \mathrm{K}$. Using these data, we predict remarkably high quality factors for polaritons in $\alpha$-quartz's hyperbolic spectral region at low temperatures

A rocket-borne airglow photometer

The design of a rocket-borne photometer to measure the airglow emission of ionized molecular nitrogen in the 391.4 nm band is presented. This airglow is a well known and often observed phenomenon of auroras, where the principal source of ionization is energetic electrons. It is believed that at some midlatitude locations energetic electrons are also a source of nighttime ionization in the E region of the ionosphere. If this is so, then significant levels of 391.4 nm airglow should be present. The intensity of this airglow will be measured in a rocket payload which also contains instrumentation to measured in a rocket payload which also contains instrumentation to measure energetic electron differential flux and the ambient electron density. An intercomparison of the 3 experiments in a nightime launch will allow a test of the importance of energetic electrons as a nighttime source of ionization in the upper E region

Terahertz sum-frequency excitation of a Raman-active phonon

In stimulated Raman scattering, two incident optical waves induce a force oscillating at the difference of the two light frequencies. This process has enabled important applications such as the excitation and coherent control of phonons and magnons by femtosecond laser pulses. Here, we experimentally and theoretically demonstrate the so far neglected up-conversion counterpart of this process: THz sum-frequency excitation of a Raman-active phonon mode, which is tantamount to two-photon absorption by an optical transition between two adjacent vibrational levels. Coherent control of an optical lattice vibration of diamond is achieved by an intense terahertz pulse whose spectrum is centered at half the phonon frequency of 40 THz. Remarkably, the carrier-envelope phase of the driving pulse is directly imprinted on the lattice vibration. New prospects in infrared spectroscopy, light storage schemes and lattice trajectory control in the electronic ground state emerge

How Non-Uniform Temperatures Influence the Performance and Ageing of Lithium-Ion Batteries

Lithium-Ionen Batterien (LIB) finden aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich Energie- und Leistungsdichte sowie ihrer Zuverlässigkeit verbreitete An-wendung als elektrochemische Energiespeicher. Sie spielen im Rahmen des Klimawandels und der dadurch bedingten Energiewende eine zentrale Rolle in der Elektrifizierung der Mobilität. In LIB laufen eine Vielzahl komplexer multi-physikalischer Prozesse und elektrochemischer Reaktionen zeitgleich und in enger Wechselwirkung miteinander ab. Neben vielen anderen Faktoren hat die Temperatur wesent-lichen Einfluss auf diese und folglich auf das resultierende Leistungs- und Alterungsverhalten der Batteriezelle. Während des Betriebs einer Zelle liegt ihr „Wohlfühlbereich“ bei etwa 25 °C. Bei höheren Temperaturen steigt zwar die Leistungsfähigkeit, aber es intensivieren sich auch parasitäre Nebenreaktionen und die Degradation der Zelle. Bei niedrigeren Temperatu-ren hingegen verlangsamen sich die Prozesse, es kommt zu erhöhten Über-spannungen und die Leistungsfähigkeit nimmt ab. Hinzu kommt die Gefahr von Lithium-Plating, was ebenfalls zu einer beschleunigten Alterung führt. Durch die im Betrieb ablaufenden Verlustprozesse kommt es zusätzlich zu einer Erwärmung. Um diese interne Wärmeentwicklung auszugleichen, werden bei größeren Batteriepacks Temperiersysteme eingesetzt. Diese wiederum induzieren einen Temperaturgradienten sowohl im Modul als auch in jeder einzelnen Batteriezelle. Wie sich solche Temperaturgradienten auf das elektrochemische Verhalten auswirken, wird im Rahmen dieser Dissertation zunächst integral anhand von Spannungsverläufen und elektrochemischen Impedanzspektren unter-sucht. Bisher wurden Impedanzspektren an Zellen mit aufgeprägtem Tempe-raturgradienten mit dem Ziel aufgenommen, diese Methode als schnelles Diagnosewerkzeug für Batteriemanagementsysteme zu nutzen. Die Ergeb-nisse zeigen bei Temperaturgradienten auf niedrigem Temperaturniveau eine Verschiebung des Zellverhaltens in Richtung des Verhaltens der Zelle bei einer höheren Temperatur. Damit hat der wärmere Teil gegenüber dem kälteren Teil der Zelle einen etwas größeren Einfluss auf das Gesamtverhal-ten. Bei höheren Temperaturen und höheren Strömen zeigt sich dieses Verhalten nicht, da die Stromdichte lokal ähnlich ist bzw. auch im Bereich hoher Temperaturen Überspannugen auftreten und die Stromdichte begren-zen. Der Einfluss von Temperaturgradienten auf das integrale Batteriever-halten ist damit weniger stark ausgeprägt als die weit verbreitete Restriktion bezüglich des maximalen Temperaturunterschiedes von 5 K vermuten lässt. Weiterhin werden diese Zusammenhänge über die temperaturabhängige Stromverteilung in der Zelle vertiefend analysiert. Um diese zuverlässig zu quantifizieren, wird ein neuartiger Versuchsablauf entwickelt und imple-mentiert. Er bietet Vorteile gegenüber bisher durchgeführten Methoden, welche auf instrumentierten Multitabzellen oder auf Parallelverschaltung mehrerer Zellen basieren. Die entwickelte Methode ermöglicht die Messung der Stromverteilung an einer Einzelzelle und ist damit unabhängig von Variationen zwischen den Zellen und dem Messaufbau. Validiert wird diese mit einer parallelen Verschaltung von Zellen desselben Zelltyps mit indivi-dueller Temperierung. Zusätzlich wird das Alterungsverhalten unter definierten thermischen Inhomogenitäten untersucht. Neben dem Kapazitätsverlust und Impedanzan-stieg mit zunehmender Zyklenzahl wird die Temperaturabhängigkeit über eine äquivalente Alterungstemperatur quantifiziert und die auftretenden Alterungsmodi mit Hilfe der „Differential Voltage Analysis“ betrachtet. Um die Alterungsursachen und die lokalen Mechanismen zu identifizieren, werden ausgewählte repräsentative Zellen geöffnet und die Elektroden individuell über Halbzellmessungen charakterisiert. Zusätzlich wird die Elektrodendicke gemessen, Bilder der Oberfläche mit dem Rasterelektro-nenmikroskop aufgenommen und Messungen mittels Röntgenphotoelektro-nenspektroskopie durchgeführt. Die Kristallstruktur wird über Röntgenbeu-gung analysiert und die Konzentration der Übergangsmetalle, Lithium und Phosphor an der Anode mit Hilfe der optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma gemessen. Die auftretenden Veränderungen werden anschließend mit den Randbedingungen korreliert. Die Messungen zeigen eine starke Inhomogenität der Alterungsmechanismen, während das integrale Alterungsverhalten durch Temperaturgradienten nicht signifikant verändert wird. Zeitliche Temperaturänderungen hingegen induzieren eine ausgeprägte Alterung. Mit diesen Ergebnissen ergibt sich ein umfassendes Bild, wie sich thermi-sche Inhomogenitäten auf die Batteriezelle, ihr elektrochemisches Verhalten und die Alterung auswirken

Second-harmonic phonon spectroscopy of α\alpha-quartz

We demonstrate midinfrared second-harmonic generation as a highly sensitive phonon spectroscopy technique that we exemplify using $\alpha$-quartz (SiO$_2$) as a model system. A midinfrared free-electron laser provides direct access to optical phonon resonances ranging from $350\ \mathrm{cm}^{-1}$ to $1400\ \mathrm{cm}^{-1}$. While the extremely wide tunability and high peak fields of an free-electron laser promote nonlinear spectroscopic studies---complemented by simultaneous linear reflectivity measurements---azimuthal scans reveal crystallographic symmetry information of the sample. Additionally, temperature-dependent measurements show how damping rates increase, phonon modes shift spectrally and in certain cases disappear completely when approaching$T_c=846\ \mathrm{K}$where quartz undergoes a structural phase transition from trigonal$\alpha$-quartz to hexagonal$\beta$-quartz, demonstrating the technique's potential for studies of phase transitions

Second Harmonic Generation from Critically Coupled Surface Phonon Polaritons

Mid-infrared nanophotonics can be realized using sub-diffractional light localization and field enhancement with surface phonon polaritons in polar dielectric materials. We experimentally demonstrate second harmonic generation due to the optical field enhancement from critically coupled surface phonon polaritons at the 6H-SiC-air interface, employing an infrared free-electron laser for intense, tunable, and narrowband mid-infrared excitation. Critical coupling to the surface polaritons is achieved using a prism in the Otto geometry with adjustable width of the air gap, providing full control over the excitation conditions along the polariton dispersion. The calculated reflectivity and second harmonic spectra reproduce the full experimental data set with high accuracy, allowing for a quantification of the optical field enhancement. We also reveal the mechanism for low out-coupling efficiency of the second harmonic light in the Otto geometry. Perspectives on surface phonon polariton-based nonlinear sensing and nonlinear waveguide coupling are discussed

Inhomogeneous Aging in Lithium‐Ion Batteries Caused by Temperature Effects

Lithium-ion batteries (LIBs) are widely used as electrochemical energy storage devices due to their advantages in energy and power density as well as their reliability. One research focus is the cyclic lifetime of LIB, where the influence of thermal conditions during cycling is not yet completely understood. In previous publications, investigations on the cyclic aging behavior of LIB under various thermal boundary conditions are presented, including defined temperature gradients and temperature transients. Thereupon, herein, the results of cell openings and an extensive postmortem study with analyses of scanning electron micrographs, electrode thickness, X-ray diffraction, and inductively coupled plasma optical emission spectroscopy are presented, evaluated, and correlated with the thermal conditions. The results reveal significant variations on the electrode and atomic scale for the different thermal boundary conditions during cycling. The electrodes exposed to a temperature gradient exhibit an inhomogeneous distribution of aging behavior that directly correlates with the local temperature. Cycling with superimposed transient temperatures reveals fundamentally different aging effects. With this knowledge, critical temperature conditions can be avoided in applications to prolong cyclic lifetime