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Ultrafast and time-resolved imaging towards the attosecond domain at SwissFEL

English title Ultrafast and time-resolved imaging towards the attosecond domain at SwissFEL
Applicant Bostedt Christoph
Number 197372
Funding scheme Project funding
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.09.2021 - 31.08.2025
Approved amount 1'224'736.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Physical Chemistry
Other disciplines of Physics

Keywords (6)

X-ray; Imaging; Clusters; Ultrafast; Attosecond; Nanoparticles

Lay Summary (German)

Lead
Die Möglichkeit, Objekte vergrössert darzustellen oder innere Strukturen abzubilden hat immer wieder zu neuen Erkenntnissen in der naturwissenschaftlichen Forschung geführt. Eindrückliche historische Beispiele sind das Lichtmikroskop oder die Entdeckung der Röntgenstrahlen. Der neuartige Schweizer Freie-Elektronen Laser SwissFEL liefert intensive und sehr kurze Röntgenpulse mit denen prinzipiell sehr kleine Objekte und sehr schnelle Prozesse abgebildet werden können. Es ist jedoch zu erwarten, dass die intensiven Röntgenblitze des SwissFEL stark mit den Proben wechselwirken.
Lay summary

Inhalt und Ziel

Das Ziel des Projektes sehr schnelle Prozesse und sehr feine Strukturen mittels einzelnen und intensiven Röntgenblitzen des SwissFELs abzubilden. Sehr schnell heisst in diesem Zusammenhang Prozesse auf der Femtosekunden Zeitskala von optischen Lichtschwingungen und sehr fein Strukturen bzw. Strukturveänderungen im Nanometer Bereich. Um dieses Ziel zu erreichen soll zuerst ein fundamentales Verständnis über die Wechselwirkung zwischen den intensiven Röntgenpulsen und Proben aufgebaut werden und die Abbildungsprozesse hinsichtlich Kontrast und Schärfe optimiert werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sollen erste Experimente durchgeführt werden in dem man die schnelle Dynamik in Nanostrukturen sichtbar machen wird.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Im Rahmen der geplanten Arbeiten werden neue Möglichkeiten zur ultraschnellen Abbildungen von Strukturen auf der Nanometerskale entwickelt werden. Die Möglichkeit einzelne, Nanometer grosse Objekte mit einzelnen Röntgenpulsen abzubilden eröffnet neue Chancen in der Biologie und den Materialwissenschaften. Schnelle Prozesse auf der Zeitskala von Lichtschwingungen aufzulösen wird die Entwicklung neuartigen plasmonischen Systemen vorantreiben.

Direct link to Lay Summary Last update: 10.09.2021

Responsible applicant and co-applicants

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
187032 Solar Nitrogen Fixation: Ammonia from Sunlight and Air 01.06.2020 Solar-Driven Chemistry
183615 NCCR MUST: Molecular Ultrafast Science and Technology (phase III) 01.07.2018 National Centres of Competence in Research (NCCRs)
182988 Endstation for AMO Science at the SwisFEL ATHOS beamline 01.03.2019 R'EQUIP

Abstract

With this proposal we aim at pushing the frontier of ultrafast X-ray imaging to the attosecond domain and nanometer resolution. This is a leap compared to the current state of the art as it will allow us, for the first time, to image electron dynamics on the nanoscale in form of collective plasmon oscillations. Our approach is based on understanding the fundamental processes in the truly non-linear, sub-Auger lifetime X-ray domain (work package 1), advancing ultrafast imaging to better quality and higher resolution by optimizing the involved parameters (work package 2), solving open questions about achievable contrast in ultrafast imaging due to electronic excitations and reconfigurations (work package 3), and developing approaches for X-ray imaging dynamics faster than one optical cycle (work package 4). With the knowledge to be acquired and the technological advancements developed through this proposal we will be able to provide novel tools for the wider scientific community in Switzerland and world-wide.
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