Laser induced vibrational excitation of acrylonitrile adsorbed on copper

A new experimental system has been set up with the ability to investigate catalytic processes and charge transfer of acrylonitrile on copper. For this purpose a new Time of Flight Mass Spectrometer to measure both the reaction outcome and electron energy distributions has been designed and tested. First experiments have been carried out, in which the width of the two-photon photoelectron energy distribution can be varied by changing the wavelength of the incident laser beam. This method allows high precision measurements of the work function and will be useful in the study with adsorbates, physi- or chemisorbed. In first adsorption measurements the excitation of vibrational modes of acrylonitrile has been seen to be consistent with earlier gas-phase experiments. Electron energy spectra taken with the electron analyzer with high resolution showed a clear defect in the electron yield at energies around the energy of one vibrational mode, indicating the possibility of resonant vibrational excitation by electron impact. More indications to that process were found i first electron spectra from the new TOF-MS, since a threshold for the capture probability is found at energies close to vibrational excitation. The threshold vanishes when the exposure is amplified significantly, indicating that electrons are scattered multiple and no resonance are be observed anymore. The experiments carried out were just the starting point in understanding the mechanism of the reaction. A new femtosecond laser system which is currently set up will give not only a time-resolved information on the reaction pathways but also give the possibility to create non-thermal electrons and to study intermediate states of the photoemission and the influence of the adsorbate on them. In addition the rotation of the electron analyzer will permit angle-resolved measurements of the scattering process of the electrons and the vibrational excitation via this pathway. With the new cooling system applied it will also be interesting to study the excitation process at lower temperatures. Below -160° C there are different geometries of the molecule predicted to be present at the surface. At these temperatures the thermal effects should play a major role, so that a thermal decoupling of the electrons is very desirable

Untersuchung von Korrelationseffekten in der Doppelphotoemission von normal- und supraleitendem Blei

Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die erstmalige Untersuchung der Doppelphotoemission von supraleitenden Materialien eine neue Messapparatur aufgebaut. Mit ihr lassen sich auf eine neue Weise Korrelationseffekte zwischen zwei Elektronen untersuchen, denn beide werden für jedes Reaktionsereignis mit ihrem vollständigen Impulsvektor aufgezeichnet. Die Apparatur kann daher für einen direkten Nachweis der Cooperpaarung in Supraleitern verwendet werden. Dazu wurden ein speziell für diesen Zweck angepasstes Spektrometer, Vakuumsystem und Probenhalter konstruiert. Ein mehrfach verbessertes Vakuumsystem sorgte dafür, dass eine Bleioberfläche über einen Zeitraum von mindestens 15 Stunden nach einer Reinigung gemessen werden konnte. Das Spektrometer erlaubte die koinzidente Messung von Elektronen über einen großen Raumwinkelbereich mit ausschließlich elektrischen Feldern. Dadurch war es auch im supraleitenden Zustand möglich, die Trajektorien der Elektronen zu berechnen. Die Energieauflösung für jedes Elektron lag zwischen 1/30 und 1/50, je nach untersuchtem Emissionswinkel. Ein eigens entwickelter Probenhalter erlaubte es, eine nur von einer Seite thermisch abgeschirmte Probe auf eine Temperatur von 4,5 K zu kühlen. Die Experimente wurden an einer Beamline des Berliner Synchrotrons BESSY durchgeführt. Von entscheidender Bedeutung für die Auswertung der Daten ist die Qualität der Pulserkennungsroutine. Sie bestimmt die Totzeit der Messapparatur, das heisst wie nahe zwei Elektronen zeitlich und räumlich beieinander liegen dürfen, um noch detektiert zu werden. Sie beeinflusst somit die Beobachtung erheblich. In den als digitalisierte Pulse aufgenommen Rohdaten besteht die Schwierigkeit darin, zwei übereinander liegende Signale als solche zu erkennen und die richtige Zeit beider Signale zu bestimmten. Dies wurde erheblich verbessert, indem ein in Vorabeiten simulierter Doppelpulsalgorithmus modifiziert und erstmalig verwendet wurde. In der Folge konnte die Totzeit deutlich verringert und daher bis zu 20% mehr Doppelereignisse gefunden werden. Darüber hinaus ließen sich Fehler bei der Zeiterkennung nahe aufeinander folgender Pulse korrigieren. Ein in diesem Zusammenhang entwickeltes Programm erzeugte durch die Addition von gemessenen Einzelpulsen künstliche Doppelereignisse mit beliebiger Abstandsverteilung und erlaubte so erstmals eine exakte Simulation der Detektortotzeit mit verschiedenen Pulserkennungsalgorithmen. Neben den Koinzidenzereignissen wurden auch die Ergebnisse der gewöhnlichen Photoemission untersucht und mit Bandstrukturrechnungen verglichen. Aufgrund der Messmethode wurde keine Vorauswahl bezüglich des Emissionswinkels oder der kinetischen Energie getroffen. Die Ergebnisse der Fermiflächen stimmen innerhalb der erreichten Auflösung mit den theoretischen Vorhersagen überein. Ebenso konnten die Strukturen in den Parallelimpulsspektren der Elektronen, die aus lokalisierten Energieniveaus emittiert wurden, mit der Interferenz der ausgehenden Wellenfunktionen erklärt werden. Eine Simulation dieses Effekts lieferte trotz der vergleichsweise sehr niedrigen Elektronenenergien eine gute Übereinstimmung der wesentlichen Merkmale. Es wurden Doppelphotoemissionspektren von Blei bei verschiedenen Photonenenergien im Bereich von 21,22 eV bis 40 aufgenommen. Dabei konnten verschiedene Emissionskanäle identifiziert werden. Das Korrelationsloch ist ein sehr grundlegender Effekt, der aufgrund der Coulombabstoßung und des Pauli-Prinzips auftritt und daher bei allen Metallen vorkommt. Betrachtet man das Korrelationsloch im Impulsraum, so führt es dazu, dass zwei gleichzeitig emittierte Elektronen keine ähnlichen Impulsvektoren besitzen dürfen. Durch die verbesserten Pulserkennungsalgorithmen war es möglich, das Korrelationsloch zu untersuchen und über einen weiten Energiebereich zu vermessen. Es zeigte sich wie erwartet als Verarmungszone in der Impulsverteilung eines Elektrons um den Impuls eines zweiten. Ein solcher Effekt ist mit einem einzelnen Detektor sehr schwer zu messen, da die Totzeit die gleiche Auswirkung auf die Spektren hat. Durch eine Simulation konnte ihr Einfluss in jedem Spektrum herausgefunden und so beide Effekte voneinander getrennt werden. Sie stehen damit für einen Vergleich mit einer noch zu entwickelnden theoretischen Vorhersage zur Verfügung. Aufgrund der bei Blei sehr nahe an der Fermikante liegenden, lokalisierten Energieniveaus konnte der Augerzerfall aus dem Valenzband identifiziert und untersucht werden. Korrelationseffekte zwischen den beiden Elektronen spielten aufgrund des sehr breiten Valenzbandes wie erwartet eine untergeordnete Rolle. Dies ließ sich nachweisen, indem die Energieverteilung durch eine Selbstfaltung der Valenzbandzustandsdichte beschrieben wurde und die Winkelverteilung der Augerelektronen keine Beeinflussung durch die Emissionsrichtung der Photoelektronen zeigte. Beide Beobachtungen deuten auf einen vollständig unabhängigen Emissionsprozess der beiden Elektronen hin. Überraschenderweise zeigte sich aber eine Energieverschiebung des Photoelektrons, abhängig von der kinetischen Energie des Augerelektrons. Dieser in der Gasphase als Post-Collision-Interaction bekannte Effekt sollte aufgrund der schnellen Abschirmung der im Festkörper zurückbleibenden Löcher nicht auftauchen. Die Ursache für die Energieverschiebung ist noch unbekannt. Für die Identifizierung der Emission von Cooperpaaren wurden Messungen oberhalb und unterhalb der Sprungtemperatur bei verschiedenen Photonenenergien zwischen 20 eV und 40 eV durchgeführt. Verschiedene Spektren wurde nach der Signatur des Prozesses untersucht. Aufgrund der geringen Statistik konnte er nicht identifiziert werden. Demnach konnte auch die theoretische Vorhersage nicht widerlegt werden. Da dieses Experiment aus technischer Sicht äußerst herausfordernd ist, war die Untersuchung von Blei, als einfach zu präparierendes Material mit hoher Sprungtemperatur, naheliegend. Es stellte sich jedoch durch die Auswertung heraus, dass es im Hinblick auf die untersuchte Fragestellung einen wesentlichen Nachteil besitzt. Die Hauptintensität befindet sich im Gegensatz zu Kupfer für alle hier verwendeten Photonenenergien bei niedrigen Elektronenenergien, so dass nur wenige Ereignisse in dem für die Cooperpaaremission interessanten Energiefenster liegen

Coherent and incoherent excitation pathways in time-resolved photoemission orbital tomography of CuPc/Cu(001)-2O

Time-resolved photoemission orbital tomography (tr-POT) offers unique possibilities for tracing molecular electron dynamics. The recorded pump-induced changes of the angle-resolved photoemission intensities allow to characterize unoccupied molecular states in momentum space and to deduce the incoherent temporal evolution of their population. Here, we show for the example of CuPc/Cu(001)-2O that the method also gives access to the coherent regime and that different excitation pathways can be disentangled by a careful analysis of the time-dependent change of the photoemission momentum pattern. In particular, we demonstrate by varying photon energy and polarization of the pump light, how the incoherent temporal evolution of the LUMO distribution can be distinguished from coherent contributions of the projected HOMO. Moreover, we report the selective excitation of molecules with a specific orientation at normal incidence by aligning the electric field of the pump light along the molecular axis

Observation of enhanced chiral asymmetries in the inner-shell photoionization of uniaxially oriented methyloxirane enantiomers

Most large molecules are chiral in their structure: they exist as two enantiomers, which are mirror images of each other. Whereas the rovibronic sublevels of two enantiomers are almost identical, it turns out that the photoelectric effect is sensitive to the absolute configuration of the ionized enantiomer - an effect termed Photoelectron Circular Dichroism (PECD). Our comprehensive study demonstrates that the origin of PECD can be found in the molecular frame electron emission pattern connecting PECD to other fundamental photophysical effects as the circular dichroism in angular distributions (CDAD). Accordingly, orienting a chiral molecule in space enhances the PECD by a factor of about 10

Momentum-Resolved Observation of Exciton Formation Dynamics in Monolayer WS2

The dynamics of momentum-dark exciton formation in transition metal dichalcogenides is difficult to measure experimentally, as many momentum-indirect exciton states are not accessible to optical interband spectroscopy. Here, we combine a tunable pump, high-harmonic probe laser source with a 3D momentum imaging technique to map photoemitted electrons from monolayer WS2. This provides momentum-, energy- and time-resolved access to excited states on an ultrafast time scale. The high temporal resolution of the setup allows us to trace the early-stage exciton dynamics on its intrinsic time scale and observe the formation of a momentum-forbidden dark KΣ exciton a few tens of femtoseconds after optical excitation. By tuning the excitation energy, we manipulate the temporal evolution of the coherent excitonic polarization and observe its influence on the dark exciton formation. The experimental results are in excellent agreement with a fully microscopic theory, resolving the temporal and spectral dynamics of bright and dark excitons in WS2

Dirac cone and pseudogapped density of states in the topological half-Heusler compound YPtBi

Topologické izolátory (Tis) jsou zajímavé materiály, které vykazují nebývalé vlastnosti. . Zde jsme prozkoumali sloučeniny YPtBi jako příklad ze třídy polovu-Heuslerových materiálů.Topological insulators (TIs) are exciting materials, which exhibit unprecedented properties, such as helical spinmomentum locking, which leads to large torques for magnetic switching and highly efficient spin current detection. Here we explore the compound YPtBi, an example from the class of half-Heusler materials, for which the typical band inversion of topological insulators was predicted. We prepared this material as thin films by conventional cosputtering from elementary targets. By in situ time-of-flight momentum microscopy, a Dirac conelike surface state with a Dirac point 300 meV below the Fermi energy was observed, in agreement with electronic structure-photoemission calculations. Only little additional spectral weight due to other states was observed at EF , which corroborates the identification of the topologically protected surface state and is highly relevant for spintronics applications

Absolute configuration from different multifragmentation pathways in light-induced coulomb explosion imaging

The absolute configuration of individual small molecules in the gas phase can be determined directly by light-induced Coulomb explosion imaging (CEI). Herein, this approach is demonstrated for ionization with a single X-ray photon from a synchrotron light source, leading to enhanced efficiency and faster fragmentation as compared to previous experiments with a femtosecond laser. In addition, it is shown that even incomplete fragmentation pathways of individual molecules from a racemic CHBrClF sample can give access to the absolute configuration in CEI. This leads to a significant increase of the applicability of the method as compared to the previously reported complete break-up into atomic ions and can pave the way for routine stereochemical analysis of larger chiral molecules by light-induced CEI