TY - JOUR A1 - Yin, Zhong A1 - Rajkovic, Ivan A1 - Veedu, Sreevidya Thekku A1 - Deinert, Sascha A1 - Raiser, Dirk A1 - Jain, Rohit A1 - Fukuzawa, Hironobu A1 - Wada, Shin-ichi A1 - Quevedo, Wilson A1 - Kennedy, Brian A1 - Schreck, Simon A1 - Pietzsch, Annette A1 - Wernet, Philippe A1 - Ueda, Kyoshi A1 - Föhlisch, Alexander A1 - Techert, Simone T1 - Ionic solutions probed by resonant inelastic X-ray scattering JF - Zeitschrift für physikalische Chemie : international journal of research in physical chemistry and chemical physics N2 - X-ray spectroscopy is a powerful tool to study the local charge distribution of chemical systems. Together with the liquid jet it becomes possible to probe chemical systems in their natural environment, the liquid phase. In this work, we present X-ray absorption (XA), X-ray emission (XE) and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) data of pure water and various salt solutions and show the possibilities these methods offer to elucidate the nature of ion-water interaction. KW - X-ray Spectroscopy KW - XAS KW - XES KW - RIXS KW - Anions KW - Cations KW - Liquid Jet KW - Synchrotron Radiation Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1515/zpch-2015-0610 SN - 0942-9352 VL - 229 IS - 10-12 SP - 1855 EP - 1867 PB - De Gruyter CY - Berlin ER - TY - JOUR A1 - Pietzsch, Annette A1 - Niskanen, Johannes A1 - Vaz da Cruz, Vinicius A1 - Büchner, Robby A1 - Eckert, Sebastian A1 - Fondell, Mattis A1 - Jay, Raphael Martin A1 - Lu, Xingye A1 - McNally, Daniel A1 - Schmitt, Thorsten A1 - Föhlisch, Alexander T1 - Cuts through the manifold of molecular H2O potential energy surfaces in liquid water at ambient conditions JF - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America N2 - The fluctuating hydrogen bridge bonded network of liquid water at ambient conditions entails a varied ensemble of the underlying constituting H2O molecular moieties. This is mirrored in a manifold of the H2O molecular potentials. Subnatural line width resonant inelastic X-ray scattering allowed us to quantify the manifold of molecular potential energy surfaces along the H2O symmetric normal mode and the local asymmetric O-H bond coordinate up to 1 and 1.5 angstrom, respectively. The comparison of the single H2O molecular potentials and spectroscopic signatures with the ambient conditions liquid phase H2O molecular potentials is done on various levels. In the gas phase, first principles, Morse potentials, and stepwise harmonic potential reconstruction have been employed and benchmarked. In the liquid phase the determination of the potential energy manifold along the local asymmetric O-H bond coordinate from resonant inelastic X-ray scattering via the bound state oxygen ls to 4a(1) resonance is treated within these frameworks. The potential energy surface manifold along the symmetric stretch from resonant inelastic X-ray scattering via the oxygen 1 s to 2b(2) resonance is based on stepwise harmonic reconstruction. We find in liquid water at ambient conditions H2O molecular potentials ranging from the weak interaction limit to strongly distorted potentials which are put into perspective to established parameters, i.e., intermolecular O-H, H-H, and O-O correlation lengths from neutron scattering. KW - water KW - potential ene rgy surface KW - RIXS Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1073/pnas.2118101119 SN - 1091-6490 VL - 119 IS - 28 PB - National Acad. of Sciences CY - Washington, DC ER - TY - JOUR A1 - Miedema, Piter Sybren A1 - Beye, Martin A1 - Koennecke, R. A1 - Schiwietz, Gregor A1 - Föhlisch, Alexander T1 - Thermal evolution of the band edges of 6H-SiC: X-ray methods compared to the optical band gap JF - Journal of electron spectroscopy and related phenomena : the international journal on theoretical and experimental aspects of electron spectroscopy N2 - The band gap of semiconductors like silicon and silicon carbide (SIC) is the key for their device properties. In this research, the band gap of 6H-SiC and its temperature dependence were analyzed with silicon 2p X-ray absorption spectroscopy (XAS), X-ray emission spectroscopy (XES) and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) allowing for a separate analysis of the conduction-band minimum (CBM) and valence-band maximum (VBM) components of the band gap. The temperature-dependent asymmetric band gap shrinking of 6H-SiC was determined with a valence-band slope of +2.45 x 10(-4) eV/K and a conduction-band slope of -1.334 x 10(-4) eV/K. The apparent asymmetry, e.g., that two thirds of the band-gap shrinking with increasing temperature is due to the VBM evolution in 6H-SiC, is similar to the asymmetry obtained for pure silicon before. The overall band gap temperature-dependence determined with XAS and nonresonant XES is compared to temperature-dependent optical studies. The core-excitonic binding energy appearing in the Si 2p XAS is extracted as the main difference. In addition, the energy loss of the onset of the first band in RIXS yields to values similar to the optical band gap over the tested temperature range. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - RIXS KW - XAS KW - XES KW - Semiconductors KW - Silicon carbide Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1016/j.elspec.2014.08.003 SN - 0368-2048 SN - 1873-2526 VL - 197 SP - 37 EP - 42 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Miedema, P. S. A1 - Beye, Martin A1 - Koennecke, R. A1 - Schiwietz, G. A1 - Föhlisch, Alexander T1 - The angular- and crystal-momentum transfer through electron-phonon coupling in silicon and silicon-carbide: similarities and differences JF - New journal of physics : the open-access journal for physics N2 - Electron-phonon scattering has been studied for silicon carbide (6H-SiC) with resonant inelastic x-ray scattering at the silicon 2p edge. The observed electron-phonon scattering yields a crystal momentum transfer rate per average phonon in 6H-SiC of 1.8 fs(-1) while it is 0.2 fs(-1) in crystalline silicon. The angular momentum transfer rate per average phonon for 6H-SiC is 0.1 fs(-1), which is much higher than 0.0035 fs(-1) obtained for crystalline silicon in a previous study. The higher electron-phonon scattering rates in 6H-SiC are a result of the larger electron localization at the silicon atoms in 6H-SiC as compared to crystalline silicon. While delocalized valence electrons can screen effectively (part of) the electron-phonon interaction, this effect is suppressed for 6H-SiC in comparison to crystalline silicon. Smaller contributions to the difference in electron-phonon scattering rates between 6H-SiC and silicon arise from the lower atomic mass of carbon versus silicon and the difference in local symmetry. KW - electron-phonon scattering KW - 6H-SiC KW - RIXS Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/9/093056 SN - 1367-2630 VL - 16 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Kunnus, Kristjan A1 - Schreck, Simon A1 - Föhlisch, Alexander T1 - Free-electron laser based resonant inelastic X-ray scattering on molecules and liquids JF - Journal of electron spectroscopy and related phenomena : the international journal on theoretical and experimental aspects of electron spectroscopy N2 - The unprecedented beam properties of free-electron laser based X-ray sources enable novel resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) experiments. Femtosecond time-resolved RIXS can be used to follow charge, spin and structural dynamics of dilute solute molecules in solution. Ultrashort X-ray pulses allow probing of highly radiation sensitive states of matter such as the metastable phase of supercooled liquid water. Nonlinear X-ray probes like amplified spontaneous emission and stimulated resonant X-ray scattering provide an enhanced selectivity and sensitivity as well as a path to control radiation damage and increase the photon yields in RIXS experiments. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - Free-electron laser KW - RIXS KW - Pump-probe KW - Nonlinear X-ray spectroscopy KW - Molecules KW - Liquids Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1016/j.elspec.2015.08.012 SN - 0368-2048 SN - 1873-2526 VL - 204 SP - 345 EP - 355 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - 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 -