Anregung, Propagation, Interferenz, Photoemission: Oberflächenplasmonpolaritonen in zeitaufgelöster Photoelektronenemissionsmikroskopie unter senkrechtem Lichteinfall

Die vorliegende Arbeit beinhaltet Untersuchungen von Oberflachenplasmonpolaritonen. Dabei handelt es sich um quantisierte Oszillationen der Elektronendichte an Metalloberflachen, die sich in Form elektromagnetischer Wellen entlang der Oberflachen fortbewegen. Zur Beobachtung dieserWellen wird die Methode der zeitaufgelosten Photoemissionselektronenmikroskopie in senkrechter Lichteinfallsgeometrie verwendet. Mit Hilfe ultra-kurzer Laserpulse, die senkrecht zur Oberflache einfallen, werden Oberflachenplasmonen zuerst an Gittern alsWellenpakete angeregt. Ihr Zustand, wie zum Beispiel ihre Schwerpunktsposition oder ihre Intensitatsverteilung, wird von absichtlich zeitverzogert ankommenden Laserpulsen abgefragt. Durch die Uberlagerung der elektrischen Felder der Laserpulse und der Plasmonenpakete kommt es zur nichtlinearen Photoemission von Elektronen aus dem Metall. Diese Elektronen werden vom elektromagnetischen Linsensystem eines Elektronenmikroskops auf eine Vielkanalplatte gelenkt. Die Anregung von SPPs an Gittern in Abhangigkeit der Polarisation der anregenden Laserpulse und der Anzahl der Gitterstriche wird untersucht und dabei werden die Polarisationsabhangigkeit der abfragenden Laserpulse fur den Photoemissionskontrast der SPP-Pakete und die Verbreiterung des SPP-Signals im PEEM durch die Abfrage behandelt. Es wird gezeigt, dass die longitudinale Komponente des elektrischen Feldes der Plasmonen masgeblich fur den Photoelektronenkontrast verantwortlich ist. Bei der Beobachtung der Propagation von Oberflachenplasmonpolaritonen werden Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten bestimmt, derenWerte nahe der Lichtgeschwindigkeit liegen. Auch kann die Bildung einer transienten, stehenden Welle zwischen entgegengesetzt propagierenden Plasmonenpaketen, sowie die Interferenz orthogonaler Plasmonen beobachtet werden. Ein weiteres Experiment zeigt eine “plasmonische Strahlteilung” und eine Reflexion von SPPs um 90 in der Ebene. Mittels speziell strukturierter Gitter, zum Beispiel in Form von Halb- und Vollkreisen, werden Oberflachenplasmonen fokussiert und erreichen dabei bis zu dem Vierfachen ihrer Feldstarken. Dadurch konnen Elektronen ohne Anwesenheit eines externen elektrischen Feldes genugend Energiequanten aus dem plasmonischen Feld aufnehmen, um die Energiebarriere zum Vakuum zu uberwinden. In den Spektren der sogenannten “plasmo-emittierten” Elektronen findet man Emissionsplateaus deren Abstand Vielfache der gequantelten Plasmonenenergie entsprechen, konkret dem Drei-, Vier- und Funffachen. Des Weiteren werden sogenannte kurzreichweitige Plasmonen in dunnen plasmonischen Materialien untersucht. IhreWellenlange betragt nur einem Bruchteil derWellenlange der anregenden Laserpulse und sie propagieren mit wesentlich kleineren Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten von nur etwa einem Funftel der Lichtgeschwindigkeit. An Kreisstrukturen wird eine Fokussierung der kurzreichweitigen Plasmonen auf ein Siebtel der Laserpuls-Wellenlange erreicht. Als kleiner Ausblick wird die Spin-Bahn-Wechselwirkung der kurzreichweitigen Plasmonen an spiralformigen Strukturen untersucht.