TY - THES A1 - Hantschmann, Markus T1 - Stimulated resonant inelastic X-ray scattering in transition metal systems T1 - Resonante Inelastische Röntgenstreuung in Übergangsmetall-Komplexen N2 - With the implementation of intense, short pulsed light sources throughout the last years, the powerful technique of resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) became feasible for a wide range of experiments within femtosecond dynamics in correlated materials and molecules. In this thesis I investigate the potential to bring RIXS into the fluence regime of nonlinear X-ray-matter interactions, especially focusing on the impact of stimulated scattering on RIXS in transition metal systems in a transmission spectroscopy geometry around transition metal L-edges. After presenting the RIXS toolbox and the capabilities of free electron laser light sources for ultrafast intense X-ray experiments, the thesis explores an experiment designed to understand the impact of stimulated scattering on diffraction and direct beam transmission spectroscopy on a CoPd multilayer system. The experiments require short X-ray pulses that can only be generated at free electron lasers (FEL). Here the pulses are not only short, but also very intense, which opens the door to nonlinear X-ray-matter interactions. In the second part of this thesis, we investigate observations in the nonlinear interaction regime, look at potential difficulties for classic spectroscopy and investigate possibilities to enhance the RIXS through stimulated scattering. Here, a study on stimulated RIXS is presented, where we investigate the light field intensity dependent CoPd demagnetization in transmission as well as scattering geometry. Thereby we show the first direct observation of stimulated RIXS as well as light field induced nonlinear effects, namely the breakdown of scattering intensity and the increase in sample transmittance. The topic is of ongoing interest and will just increase in relevance as more free electron lasers are planned and the number of experiments at such light sources will continue to increase in the near future. Finally we present a discussion on the accessibility of small DOS shifts in the absorption-band of transition metal complexes through stimulated resonant X-ray scattering. As these shifts occur for example in surface states this finding could expand the experimental selectivity of NEXAFS and RIXS to the detectability of surface states. We show how stimulation can indeed enhance the visibility of DOS shifts through the detection of stimulated spectral shifts and enhancements in this theoretical study. We also forecast the observation of stimulated enhancements in resonant excitation experiments at FEL sources in systems with a high density of states just below the Fermi edge and in systems with an occupied to unoccupied DOS ratio in the valence band above 1. N2 - In dieser Arbeit wird die Weiterentwicklung der Technik ’Resonante Inelastische Röntgenstreuung’ (RIXS) thematisiert. Vor allem wird das Thema der nichtlinearen Röntgen-Materie-Wechselwirkung an Freien Elektronenlasern wird ausführlich diskutiert. Mit der Etablierung von intensiven kurzpulsigen Röntgenquellen auf Basis von freien Elektronenlasern, ist die Möglichkeit entstanden, zeitaufgelöste Experimente im Femtosekundenbereich mit Röntgenstrahlung durchzuführen. Die dort erzeugten Pulse sind so intensiv und kurz, dass neue Effekte, die analogien in der nichtlinearen Optik haben, auftreten können. Diese neu auftretenden Effekte sind für die Röntgengemeinschaft vollkommen neu und müssen verstanden werden um freie Elektronenlaser sinnvoll auf größerer Skala, sinnvoll nutzen zu können. Außerdem könnten diese Effekte auch ganz neue experimentelle Möglichkeiten eröffnen. Deswegen beschäftigt sich diese Arbeit vor allem mit der potentiellen Möglichkeit, die RIXS Technik im nicht-linearen Licht-Materie Wechselwirkungsbereich zu bringen, die geänderten Interaktionen zu verstehen und vielleicht sogar nutzbar zu machen. Zu Beginn werden die Möglichkeiten der RIXS Technik vorgestellt. Im Anschluss wird ein von uns in Kollaboration mit dem SLAC entwickeltes und durchgeführtes Experiment vorgestellt, welches unter anderem die erste direkte Beobachtung von stimulierter resonanter inelastischer Röntgenbeugung an dünnen CoPd Multischichtsystemen ermöglicht hat. Außerdem sind intensitätsabhängige Veränderungen der Licht-Materie Wechselwirkung beobachtet worden. Speziell konnten wir einen klaren Zusammenhang zwischen dem Zusammenbruch von Streuintensität (entspricht etwa der Intensit¨ at, die nicht in direkter Strahlrichtung abgestrahlt wird) und der Vergrößerung der Transmittivität (Intensität, die in Strahlrichtung durch die Probe propagiert) feststellen. Dies konnte mit der Verschiebung von Auger und Streueffekten zu stimulierten Effekten verknüpft werden. Um das Experiment besser zu verstehen wurde ein Ratengleichungsmodell entwickelt, das intensitätsabhängige Wirkungsquerschnitte inkludiert und damit intensitätsabhängige Puls-induzierte Effekte abschätzen kann. Es konnte gezeigt werden wie die Intensitätsabhängikeit von Puls-Induzierter Transparenz, Puls-induziertem zusammenbruch der Röntgenstreuung, und die Verstärkung von Teilen des Pulses mit stimulierten Emissionen verknüpft sind. Außerdem konnten einige Aspekte identifiziert werden, die dabei helfen können um neue Experimente zu designen, die in der Lage wären durch das Ausnutzen von stimulierter Emission und damit verbundenen Spektralen verschiebungen zusätzliche Informationen aus den zu untersuchenden Systemen zu gewinnen, wie zum Beispiel über die elektronische Zustandsdichte in einer Oberflächen- oder Interface-Schicht. KW - RIXS KW - free electron laser KW - transition metal systems KW - rate equation KW - RIXS KW - resonante inelastische Röntgenstreuung KW - Freie Elektronen Laser KW - Übergangsmetall - Komplexe Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-584761 ER - TY - THES A1 - Büchner, Robby T1 - Understanding local electronic structure variations in bio-inspired aromatic molecules T1 - Erkenntnisse über lokale Variationen der elektronischen Struktur in biologisch inspirierten aromatischen Molekülen N2 - In this thesis, the dependencies of charge localization and itinerance in two classes of aromatic molecules are accessed: pyridones and porphyrins. The focus lies on the effects of isomerism, complexation, solvation, and optical excitation, which are concomitant with different crucial biological applications of specific members of these groups of compounds. Several porphyrins play key roles in the metabolism of plants and animals. The nucleobases, which store the genetic information in the DNA and RNA are pyridone derivatives. Additionally, a number of vitamins are based on these two groups of substances. This thesis aims to answer the question of how the electronic structure of these classes of molecules is modified, enabling the versatile natural functionality. The resulting insights into the effect of constitutional and external factors are expected to facilitate the design of new processes for medicine, light-harvesting, catalysis, and environmental remediation. The common denominator of pyridones and porphyrins is their aromatic character. As aromaticity was an early-on topic in chemical physics, the overview of relevant theoretical models in this work also mirrors the development of this scientific field in the 20th century. The spectroscopic investigation of these compounds has long been centered on their global, optical transition between frontier orbitals. The utilization and advancement of X-ray spectroscopic methods characterizing the local electronic structure of molecular samples form the core of this thesis. The element selectivity of the near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) is employed to probe the unoccupied density of states at the nitrogen site, which is key for the chemical reactivity of pyridones and porphyrins. The results contribute to the growing database of NEXAFS features and their interpretation, e.g., by advancing the debate on the porphyrin N K-edge through systematic experimental and theoretical arguments. Further, a state-of-the-art laser pump – NEXAFS probe scheme is used to characterize the relaxation pathway of a photoexcited porphyrin on the atomic level. Resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) provides complementary results by accessing the highest occupied valence levels including symmetry information. It is shown that RIXS is an effective experimental tool to gain detailed information on charge densities of individual species in tautomeric mixtures. Additionally, the hRIXS and METRIXS high-resolution RIXS spectrometers, which have been in part commissioned in the course of this thesis, will gain access to the ultra-fast and thermal chemistry of pyridones, porphyrins, and many other compounds. With respect to both classes of bio-inspired aromatic molecules, this thesis establishes that even though pyridones and porphyrins differ largely by their optical absorption bands and hydrogen bonding abilities, they all share a global stabilization of local constitutional changes and relevant external perturbation. It is because of this wide-ranging response that pyridones and porphyrins can be applied in a manifold of biological and technical processes. N2 - In dieser Arbeit werden die Abhängigkeiten von Ladungslokalisierung und -wanderung in zwei Klassen von aromatischen Molekülen untersucht: Pyridone und Porphyrine. Der Schwerpunkt liegt auf den Auswirkungen von Isomerie, Komplexierung, Lösung (in Wasser) und optischer Anregung, die mit verschiedenen entscheidenden biologischen Anwendungen spezifischer Mitglieder dieser Gruppen von Verbindungen einhergehen. Mehrere Porphyrine spielen eine Schlüsselrolle im Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren. Die Nukleobasen, die die genetische Information in der DNA und RNA speichern, sind Pyridonderivate. Auch mehrere Vitamine basieren auf diesen beiden Stoffgruppen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Frage zu beantworten, wie die elektronische Struktur dieser Molekülklassen modifiziert wird, sodass die vielfältigen Funktionen in der Natur ermöglicht werden. Die sich daraus ergebenden Erkenntnisse über die Wirkung konstitutioneller und externer Einflussfaktoren ermöglichen die Entwicklung neuer Verfahren in der Medizin, Katalyse, Solar- und Umwelttechnik. Die Gemeinsamkeit von Pyridonen und Porphyrinen ist ihr aromatischer Charakter. Da Aromatizität von Beginn der chemischen Physik an thematisiert wurde, spiegelt der Überblick relevanter theoretischer Modelle in dieser Arbeit auch die Entwicklung dieses Wissenschaftsgebiets im 20. Jahrhundert wieder. Die spektroskopische Untersuchung dieser Verbindungen konzentrierte sich lange Zeit auf die globalen, optischen Übergänge zwischen den Grenzorbitalen. Die Anwendung und Weiterentwicklung röntgenspektroskopischer Methoden zur Charakterisierung der lokalen elektronischen Struktur von molekularen Proben bilden den Kern dieser Arbeit. Die Elementselektivität der Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) wird genutzt, um die unbesetzte Zustandsdichte an den Stickstoffatomen zu untersuchen, welche für die chemische Reaktivität von Pyridonen und Porphyrinen verantwortlich sind. Die Ergebnisse tragen zum wachsenden Bestand von NEXAFS-Spektren und ihrer Interpretation bei, z.B. indem sie die Debatte über die N K-Kante von Porphyrinen durch systematische experimentelle und theoretische Argumente voranbringen. Zudem wird ein modernes Laser-Pump – NEXAFS-Probe System verwendet, um den Relaxationsprozess eines photoangeregten Porphyrins auf atomarer Ebene zu charakterisieren. Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) liefert komplementäre Ergebnisse, indem sie die höchsten besetzten Valenzniveaus einschließlich Symmetrieinformationen zugänglich macht. Es wird gezeigt, dass RIXS eine effektive experimentelle Methode ist, um detaillierte Informationen über die Ladungsdichten einzelner Tautomere in einem Gemisch zu erhalten. Zudem werden es die hochauflösenden RIXS-Spektrometer hRIXS und METRIXS, die im Rahmen dieser Arbeit mit in Betrieb genommen wurden, erlauben, Informationen zur ultraschnellen und thermischen Chemie von Pyridonen, Porphyrinen und vielen anderen Verbindungen zu gewinnen. Im Hinblick auf beide Klassen biologisch inspirierter, aromatischer Moleküle wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich Pyridone und Porphyrine zwar durch ihre optischen Absorptionsbanden und ihre Fähigkeit zu Wasserstoffbrückenbindungen unterscheiden, aber alle Verbindungen eine globale Stabilisierung lokaler Konstitutionsänderungen und relevanter äußerer Einflüsse aufweisen. Aufgrund dieser weitreichenden Anpassung können Pyridone und Porphyrine in einer Vielzahl von biologischen und technischen Prozessen eingesetzt werden. KW - NEXAFS KW - RIXS KW - X-ray spectroscopy KW - Aromaticity KW - Porphyrins KW - Pyridones KW - Röntgenspektroskopie KW - Aromatizität KW - Porphyrine KW - Pyridone KW - NEXAFS KW - RIXS Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553192 ER -