Project

time-resolved; photoemission; physics; optical; spectroscopy

Lead
L'étude des propriétés électroniques de nouveaux matériaux quantiques est un des piliers de la recherche en physique du solide. Elle permet non seulement de mieux comprendre leurs mécanismes physiques en vue d'accroitre nos connaissances fondamentales, mais aussi de mieux diriger la recherche systématique de nouveaux matériaux dans le but d'une application spécifique. Dans ce contexte, la spectroscopie de photoémission résolue en angle est la technique expérimentale la plus puissante pour mesurer la structure électronique de matériaux cristallins. Toutefois, elle requiert de travailler sous ultra-haut-vide, un environnement qui introduit certaines limitations. La spectroscopie optique est alors une technique complémentaire pour étudier la structure électronique des matériaux. Elle ne requiert pas un environnement complexe et ouvre donc des horizons de mesures plus large que la première.
Lay summary
Dans ce projet R'Equip, nous allons installer une nouvelle source de lumière laser pulsée à l'Université de Fribourg afin d'augmenter les moyens en spectroscopie de photoémission et optique. En utilisant des sources de lumière laser pulsées, les spectroscopies de photoémission et optique donnent accès à la dynamique ultrarapide de la structure électronique des matériaux en utilisant une approche pompe-sonde. En accédant au le domaine temporel sur l'échelle de la femtoseconde, ces spectroscopies permettent alors de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de la matière, mais aussi de générer de nouveaux états hors-équilibre avec des propriétés physiques jamais rencontrées à l'équilibre. Cette nouvelle installation va permettre d'élaborer une ligne de lumière pulsée pour la photoémission avec des photons d'énergie intermédiaire. Celle-ci ouvrira de nouveaux horizons pour l'étude des propriétés électroniques statiques et hors-équilibre. Cette ligne de lumière sera construite de sorte à permettre une flexibilité étendue entre la résolution temporelle et la résolution en énergie, afin d'élaborer des expériences mieux adaptées à la physique pertinente de nouveaux matériaux quantiques. Ce même laser pulsé sera aussi utilisé pour alimenter un dispositif de spectroscopie optique résolue en temps. Ce dispositif permettra de mesurer non seulement des matériaux nouveaux en physique du solide, mais aussi des solutions et des liquides pour la recherche en chimie. De manière globale, ce nouveau dispositif installé à l'Université de Fribourg augmentera les possibilités de recherche sur la structure électronique des matériaux nouveaux à l'échelle suisse de manière complémentaire aux grands instruments en développement à l'institut Paul Scherrer, tel le laser à électron libre SwissFEL. Cela positionnera stratégiquement davantage l'Université de Fribourg dans ce contexte en Suisse.

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Last update: 14.11.2021

Number	Title	Start	Funding scheme

The rich phase diagrams of modern materials are often the product of subtle interaction between electrons, lattice and spins. Using light pulses in a pump-probe scheme is an elegant way of per-turbing these systems to study the relevant interactions and reveal the role of each actor of condensed matter. Moreover, photoexcitation and the subsequent relaxation can trap the system into a metastable state that is never observed at thermal equilibrium. This offers an effective way of extending phase diagrams along the time-domain axis. For this purpose, we propose to develop different experimental techniques at the University of Fribourg for probing selectively the ultrafast dynamics of different degrees of freedom in condensed matter. With the installation of a high-power and high-repetition rate fiber laser, we will notably enable (i) time-resolved angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) using 10-eV photon pulses with tunable time-bandwidth product, as well as (ii) time-resolved optical spectroscopy with tunable pump and probe wavelengths. The first setup will permit to study the ultrafast dynamics of the low-energy electronic structure of complex materials by adjusting the time- and energy-resolution to the specific physical observable. The second setup will allow to characterize the typical electronic and lattice timescales of excited materials prior to more complicated experiments at X-ray free electron lasers. It will also be used to study photochemical reactions in liquid solutions. Another goal of this project is to reinforce the collaboration between the University of Fribourg and the Paul Scherrer Institute by combining the expertise in time-resolved ARPES in Fribourg with that in time-resolved techniques involving soft- and hard-x-rays provided by SwissFEL. As such, it will better position the department of physics of the University of Fribourg in the Swiss scientific landscape.