Institutionen för fysik och astronomi

HELIOS - High Energy Laser Induced Overtone Source

HELIOS logo

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.

Om HELIOS

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, e.g. 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 den bild av detta, så i figuren nedan kan du se ett typiskt HHG-spektrum

undefined

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 utvecklas reflektometer huvudsakligen använd för studier av magnetiska material (tidsupplösta T-MOKE-mätningar). Den andra kommer snart att utrustas med en semi-permanent monterad ARTOF elektronspektormeter använd för vinkel- och tidsupplöst fotoelektronspektorskopi av fasta material i ultrahögt vakuum (UHV) såväl som för mätningar på gaser.

Medarbetare

HELIOS är ett kraftfullt sonderingsinstrument använt av många forskare inom avdelningen; dock är det endast en handfull personer som huvudsakligen ägnar sig åt driften av HELIOS som en experimentanläggning. Genom åren har medarbetare både kommit och gått. Nedan följer en lista över involverade nyckelpersoner:

Johan Söderström
Huvudansvarig för HELIOS-labbet.

Joachim Terschlüsen (doktorand)

Robert Stefanuik (postdok)

Somnath Jana (postdok)

Stefan Plogmaker (fd. doktorand och senare även postdok)

Nils Krebs (fd. postdok)

Mathias Svanquist (fd. postdok)

Kandidat- och masterstudenter vid HELIOS (masterprojekt etc.)
Är du intresserad av att genomföra ett forskningsprojekt på kandidat- eller masternivå vid HELIOS? Tveka i så fall inte att kontakta Johan Söderström. Nedan är en lista över pågående och avslutade projekt vid HELIOS:

Paul Froemel
Implementation of a T-MOKE setup for transient studies of magnetic materials at the HELIOS XUV photon source

Guillaume Fle
Extending the pump energy range for a pump-probe system using High Harmonic Generation

Jonatan Fast
A Numerical Study of the Wavelength Dependence in an Off-Plane XUV Monochromator

Sara Troisi
Pågående projekt

Om du är intresserad av att arbeta med HELIOS, antingen som forskare eller som student, tveka inte att kontakta Johan Söderström. Om du befinner dig i Uppsala är du också välkommen att besöka HELIOS på Ångströmlaboratoriet – hus 6, våning 0.

Publikationer

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