Magneto-optics meets Transmission Electron Microscopy

Magnetismus und Optik werden seit Jahrhunderten von der Menschheit genutzt. Der Magnetismus, der durch das Zusammenwirken zahlreicher winziger magnetischer Dipole (z.B. Elektronenspins) in einem Material entsteht, ist unverzichtbar für den Betrieb moderner Computer. Er spielt eine wichtige Rolle in aktuellen Datenspeichertechnologien und birgt großes Potenzial für die zukünftige Computertechnik durch Spintronik und Quantencomputing. Die Optik wiederum ist allgegenwärtig im Alltag, von der Sehkorrektur und Bildgebungsverfahren bis hin zu globalen optischen Kommunikationsnetzwerken und Computern. Das Projekt befindet sich an der einzigartigen Schnittstelle dieser beiden Bereiche, an der zahlreiche spannende Fragen über die grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Spins und Licht noch unbeantwortet sind. Magnetische Materialien verändern die Eigenschaften von durchgehendem und reflektiertem Licht, was faszinierende Möglichkeiten für die Entwicklung aktiver, ultraschneller optischer Schalter eröffnet. Wechselwirkungen zwischen Magnetismus und Licht können durch Phänomene auf nanoskopischen Längenskalen (~10 -9 m) mit sogenannten Oberflächenplasmonen weiter verstärkt werden. Oberflächenplasmonen sind Elektronendichtewellen, die an Licht gekoppelt sind vergleichbar mit Wellen auf dem Meer. Sie ermöglichen es, elektromagnetische Energie auf einer Längenskala zu bündeln und zu verstärken, die deutlich unterhalb der Grenzen klassischer optischer Methoden liegt. In meiner Forschung werde ich magneto-optische Effekte in nanoskaligen plasmonischen Bauelementen,unterstütztdurch magnetischeNanostrukturen, mithilfe eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) untersuchen. Seit fast einem Jahrhundert ist das TEM ein zentrales Instrument der Materialcharakterisierung, das hochenergetische Elektronenstrahlen verwendet, um einzelne Atome abzubilden und Informationen über einen breiten Spektralbereich zu gewinnen. Durch neueste Entwicklungen in meiner Gastgeber-Gruppe (Prof. Haslinger) an der TU Wien, können wir einzelne Wechselwirkungsereignisse, bei denen ein Elektron die Emission eines einzelnen Photons auslöst, detektieren und zeitlich auflösen. Mit dieser Ausstattung bietet sich mir die Möglichkeit, magneto-optische Charakterisierungsmethoden mit der hohen räumlichen Auflösung des TEMs zu kombinieren, um das Verhalten von Plasmonen unter Einwirkung magnetischer Felder zu untersuchen. Indem ich die fundamentalen Wechselwirkungen zwischen Photonen und Spins auf quantenmechanischer Ebene erforsche, wird meine Arbeit neues Licht auf die Korrelationen zwischen Elektronen, Plasmonen und emittierten Photonen werfen. Ich werde neue Methoden zur Untersuchung magneto-optischer Eigenschaften auf nanoskaligen Größenordnungen entwickeln, was die Entwicklung von spintronischen und aktiven plasmonischen Bauelementen für zukünftige ultraschnelle Technologien beschleunigen wird.