THz streaking at metal nanotips

THz streaking at metal nanotips

Lara Simone Wimmer

Doctoral thesis

Date of Examination: 2018-01-30

Date of issue: 2018-03-20

Advisor: Ropers, Claus Prof. Dr.

Referee: Ropers, Claus Prof. Dr.

Referee: Mathias, Stefan Prof. Dr.

Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E393-0

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Abstract

English

This thesis addresses various aspects of terahertz (THz) streaking at metallic nanotips. In THz near-field streaking, electron pulses emitted by femtosecond near-infrared (NIR) pulses are accelerated in a THz-induced near-field at the tip apex. The energy of the electrons is measured in streaking spectrograms as a function of the relative time delay between the THz and the NIR pulses. The spatial confinement of the enhanced THz near-field facilitates characteristic electron dynamics, in which the electrons escape the near-field within a small fraction of an optical half-cycle. In the first part of this thesis, the influence of a static voltage onto the electron dynamics is investigated. The measurements show that a bias voltage applied to the tip acts as an additional control parameter of the spectrograms. For a spatiotemporal characterization of the near-field, the streaking spectrograms are simulated numerically using parameters such as the field strength at the tip surface and the spatial field decay length. In addition, the simulations enable the analysis of the electron trajectories and the study of the temporal evolution of the electron pulse in phase space demonstrating a control of the phase space volume. In a second study, THz streaking at plasmonic nanotapers is employed to determine the propagation velocity of plasmons. The experimental results are in agreement with simulations of the plasmon velocity as a function of the taper diameter. The possibilities of THz streaking at metal nanotips for the control and manipulation of electron pulses can be used for example in time-resolved electron microscopy and diffraction.

Keywords: nano-optics; terahertz radiation; streaking; metal nanotip; phase space; plasmonics; electron pulse control; photoemission

German

Thema dieser Arbeit sind verschiedene Aspekte von terahertz (THz) Streaking an metallischen Nanospitzen. In THz Nahfeld-Streaking werden von Femtosekunden-Pulsen im Infrarotbereich emittierte Elektronenpulse in einem THz-induzierten Nahfeld am Apex der Spitze beschleunigt. Die Energie der Elektronen wird in Streaking Spektrogrammen als Funktion des zeitlichen Abstands zwischen den THz- und den Nahinfrarotpulsen gemessen. Bedingt durch die geringe Ausdehnung des stark überhöhten Nahfeldes zeigt sich dabei eine spezielle Elektronendynamik, bei der die Elektronen das THz Nahfeld in einem geringen Bruchteil eines optischen Halbzyklus' verlassen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Einfluss einer statischen Vorspannung auf die Elektronendynamik untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass eine an der Spitze angelegte Vorspannung wie ein zusätzlicher Kontrollparameter auf die Spektrogramme wirkt. Die Streaking Spektrogramme werden numerisch simuliert für eine räumliche und zeitliche Charakterisierung des Nahfeldes durch Parameter wie die Feldstärke an der Metalloberfläche und die räumliche Abklinglänge des Feldes. Zudem ermöglichen die Simulationen eine Untersuchung der Elektronentrajektorien und der zeitlichen Entwicklung des Elektronenpulses im Phasenraum. Dabei erlaubt die räumliche und zeitliche Inhomogenität des THz Nahfeldes eine Kontrolle des Phasenraumvolumens. In einer zweiten Studie wird THz Streaking an plasmonischen Nanospitzen dazu verwendet, die Propagationsgeschwindigkeit von Plasmonen zu bestimmen. Die Messergebnisse stimmen gut überein mit den Resultaten einer Simulation der Propagationsgeschwindigkeit als Funktion des Spitzendurchmessers. Die Möglichkeiten zur Kontrolle und Manipulation von Elektronenpulsen, die THz Streaking an metallischen Nanospitzen bietet, können für zeitaufgelöste Experimente zum Beispiel in der Elektronenmikroskopie und -Beugung verwendet werden.