TY - JOUR A1 - Young, Linda A1 - Ueda, Kiyoshi A1 - Gühr, Markus A1 - Bucksbaum, Philip H. A1 - Simon, Marc A1 - Mukamel, Shaul A1 - Rohringer, Nina A1 - Prince, Kevin C. A1 - Masciovecchio, Claudio A1 - Meyer, Michael A1 - Rudenko, Artem A1 - Rolles, Daniel A1 - Bostedt, Christoph A1 - Fuchs, Matthias A1 - Reis, David A. A1 - Santra, Robin A1 - Kapteyn, Henry A1 - Murnane, Margaret A1 - Ibrahim, Heide A1 - Legare, Francois A1 - Vrakking, Marc A1 - Isinger, Marcus A1 - Kroon, David A1 - Gisselbrecht, Mathieu A1 - Wörner, Hans Jakob A1 - Leone, Stephen R. T1 - Roadmap of ultrafast x-ray atomic and molecular physics JF - Journal of physics : B, Atomic, molecular and optical physics N2 - X-ray free-electron lasers (XFELs) and table-top sources of x-rays based upon high harmonic generation (HHG) have revolutionized the field of ultrafast x-ray atomic and molecular physics, largely due to an explosive growth in capabilities in the past decade. XFELs now provide unprecedented intensity (10(20) W cm(-2)) of x-rays at wavelengths down to similar to 1 Angstrom, and HHG provides unprecedented time resolution (similar to 50 attoseconds) and a correspondingly large coherent bandwidth at longer wavelengths. For context, timescales can be referenced to the Bohr orbital period in hydrogen atom of 150 attoseconds and the hydrogen-molecule vibrational period of 8 femtoseconds; wavelength scales can be referenced to the chemically significant carbon K-edge at a photon energy of similar to 280 eV (44 Angstroms) and the bond length in methane of similar to 1 Angstrom. With these modern x-ray sources one now has the ability to focus on individual atoms, even when embedded in a complex molecule, and view electronic and nuclear motion on their intrinsic scales (attoseconds and Angstroms). These sources have enabled coherent diffractive imaging, where one can image non-crystalline objects in three dimensions on ultrafast timescales, potentially with atomic resolution. The unprecedented intensity available with XFELs has opened new fields of multiphoton and nonlinear x-ray physics where behavior of matter under extreme conditions can be explored. The unprecedented time resolution and pulse synchronization provided by HHG sources has kindled fundamental investigations of time delays in photoionization, charge migration in molecules, and dynamics near conical intersections that are foundational to AMO physics and chemistry. This roadmap coincides with the year when three new XFEL facilities, operating at Angstrom wavelengths, opened for users (European XFEL, Swiss-FEL and PAL-FEL in Korea) almost doubling the present worldwide number of XFELs, and documents the remarkable progress in HHG capabilities since its discovery roughly 30 years ago, showcasing experiments in AMO physics and other applications. Here we capture the perspectives of 17 leading groups and organize the contributions into four categories: ultrafast molecular dynamics, multidimensional x-ray spectroscopies; high-intensity x-ray phenomena; attosecond x-ray science. KW - ultrafast molecular dynamics KW - x-ray spectroscopies and phenomena KW - table-top sources KW - x-ray free-electron lasers KW - attosecond phenomena Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1088/1361-6455/aa9735 SN - 0953-4075 SN - 1361-6455 VL - 51 IS - 3 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - GEN A1 - Young, Linda A1 - Ueda, Kiyoshi A1 - Gühr, Markus A1 - Bucksbaum, Philip H. A1 - Simon, Marc A1 - Mukamel, Shaul A1 - Rohringer, Nina A1 - Prince, Kevin C. A1 - Masciovecchio, Claudio A1 - Meyer, Michael A1 - Rudenko, Artem A1 - Rolles, Daniel A1 - Bostedt, Christoph A1 - Fuchs, Matthias A1 - Reis, David A. A1 - Santra, Robin A1 - Kapteyn, Henry A1 - Murnane, Margaret A1 - Ibrahim, Heide A1 - Légaré, François A1 - Vrakking, Marc A1 - Isinger, Marcus A1 - Kroon, David A1 - Gisselbrecht, Mathieu A1 - L'Huillier, Anne A1 - Wörner, Hans Jakob A1 - Leone, Stephen R. T1 - Roadmap of ultrafast x-ray atomic and molecular physics T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - X-ray free-electron lasers (XFELs) and table-top sources of x-rays based upon high harmonic generation (HHG) have revolutionized the field of ultrafast x-ray atomic and molecular physics, largely due to an explosive growth in capabilities in the past decade. XFELs now provide unprecedented intensity (1020 W cm−2) of x-rays at wavelengths down to ~1 Ångstrom, and HHG provides unprecedented time resolution (~50 attoseconds) and a correspondingly large coherent bandwidth at longer wavelengths. For context, timescales can be referenced to the Bohr orbital period in hydrogen atom of 150 attoseconds and the hydrogen-molecule vibrational period of 8 femtoseconds; wavelength scales can be referenced to the chemically significant carbon K-edge at a photon energy of ~280 eV (44 Ångstroms) and the bond length in methane of ~1 Ångstrom. With these modern x-ray sources one now has the ability to focus on individual atoms, even when embedded in a complex molecule, and view electronic and nuclear motion on their intrinsic scales (attoseconds and Ångstroms). These sources have enabled coherent diffractive imaging, where one can image non-crystalline objects in three dimensions on ultrafast timescales, potentially with atomic resolution. The unprecedented intensity available with XFELs has opened new fields of multiphoton and nonlinear x-ray physics where behavior of matter under extreme conditions can be explored. The unprecedented time resolution and pulse synchronization provided by HHG sources has kindled fundamental investigations of time delays in photoionization, charge migration in molecules, and dynamics near conical intersections that are foundational to AMO physics and chemistry. This roadmap coincides with the year when three new XFEL facilities, operating at Ångstrom wavelengths, opened for users (European XFEL, Swiss-FEL and PAL-FEL in Korea) almost doubling the present worldwide number of XFELs, and documents the remarkable progress in HHG capabilities since its discovery roughly 30 years ago, showcasing experiments in AMO physics and other applications. Here we capture the perspectives of 17 leading groups and organize the contributions into four categories: ultrafast molecular dynamics, multidimensional x-ray spectroscopies; high-intensity x-ray phenomena; attosecond x-ray science. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 668 KW - ultrafast molecular dynamics KW - x-ray spectroscopies and phenomena KW - table-top sources KW - x-ray free-electron lasers KW - attosecond phenomena Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424238 SN - 1866-8372 IS - 668 ER - TY - THES A1 - Mayer, Dennis T1 - Time-resolved x-ray spectroscopy of 2-thiouracil T1 - Zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie an 2-Thiouracil N2 - In this thesis, I present my contributions to the field of ultrafast molecular spectroscopy. Using the molecule 2-thiouracil as an example, I use ultrashort x-ray pulses from free- electron lasers to study the relaxation dynamics of gas-phase molecular samples. Taking advantage of the x-ray typical element- and site-selectivity, I investigate the charge flow and geometrical changes in the excited states of 2-thiouracil. In order to understand the photoinduced dynamics of molecules, knowledge about the ground-state structure and the relaxation after photoexcitation is crucial. Therefore, a part of this thesis covers the electronic ground-state spectroscopy of mainly 2-thiouracil to provide the basis for the time-resolved experiments. Many of the previously published studies that focused on the gas-phase time-resolved dynamics of thionated uracils after UV excitation relied on information from solution phase spectroscopy to determine the excitation energies. This is not an optimal strategy as solvents alter the absorption spec- trum and, hence, there is no guarantee that liquid-phase spectra resemble the gas-phase spectra. Therefore, I measured the UV-absorption spectra of all three thionated uracils to provide a gas-phase reference and, in combination with calculations, we determined the excited states involved in the transitions. In contrast to the UV absorption, the literature on the x-ray spectroscopy of thionated uracil is sparse. Thus, we measured static photoelectron, Auger-Meitner and x-ray absorption spectra on the sulfur L edge before or parallel to the time-resolved experiments we performed at FLASH (DESY, Hamburg). In addition, (so far unpublished) measurements were performed at the synchrotron SOLEIL (France) which have been included in this thesis and show the spin-orbit splitting of the S 2p photoline and its satellite which was not observed at the free-electron laser. The relaxation of 2-thiouracil has been studied extensively in recent years with ultrafast visible and ultraviolet methods showing the ultrafast nature of the molecular process after photoexcitation. Ultrafast spectroscopy probing the core-level electrons provides a complementary approach to common optical ultrafast techniques. The method inherits its local sensitivity from the strongly localised core electrons. The core energies and core-valence transitions are strongly affected by local valence charge and geometry changes, and past studies have utilised this sensitivity to investigate the molecular process reflected by the ultrafast dynamics. We have built an apparatus that provides the requirements to perform time-resolved x-ray spectroscopy on molecules in the gas phase. With the apparatus, we performed UV-pump x-ray-probe electron spectroscopy on the S 2p edge of 2-thiouracil using the free-electron laser FLASH2. While the UV triggers the relaxation dynamics, the x-ray probes the single sulfur atom inside the molecule. I implemented photoline self-referencing for the photoelectron spectral analysis. This minimises the spectral jitter of the FEL, which is due to the underlying self-amplified spontaneous emission (SASE) process. With this approach, we were not only able to study dynamical changes in the binding energy of the electrons but also to detect an oscillatory behaviour in the shift of the observed photoline, which we associate with non-adiabatic dynamics involving several electronic states. Moreover, we were able to link the UV-induced shift in binding energy to the local charge flow at the sulfur which is directly connected to the electronic state. Furthermore, the analysis of the Auger-Meitner electrons shows that energy shifts observed at early stages of the photoinduced relaxation are related to the geometry change in the molecule. More specifically, the observed increase in kinetic energy of the Auger-Meitner electrons correlates with a previously predicted C=S bond stretch. N2 - In dieser Arbeit präsentiere ich meine Beiträge zum Gebiet der ultraschnellen Molekülspektroskopie. Am Beispiel des Moleküls 2-Thiouracil verwende ich ultrakurze Röntgenpulse von Freie-Elektronen-Lasern, um die Relaxationsdynamik von Molekülproben in der Gasphase zu untersuchen. Unter Ausnutzung der für Röntgenstrahlung typischen Element- und Ortsselektivität untersuche ich den Ladungsfluss und die geometrischen Veränderungen in den angeregten Zuständen von 2-Thiouracil. Um die photoinduzierte Dynamik von Molekülen zu verstehen, ist das Wissen über die Grundzustandsstruktur und die Relaxation nach Photoanregung entscheidend. Daher befasst sich ein Teil dieser Arbeit mit der elektronischen Grundzustandsspektroskopie von 2-Thiouracil, um die Grundlage für die zeitaufgelösten Experimente zu schaffen. Viele der bisher veröffentlichten Studien, die sich mit der zeitaufgelösten Dynamik von Thiouracilen in der Gasphase nach UV-Anregung befassten, stützten sich zur Bestimmung der Anregungsenergien auf Informationen aus der Spektroskopie in Lösung. Dies ist nicht optimal, da Lösungsmittel das Absorptionsspektrum verändern und es daher keine Garantie dafür gibt, dass die Spektren in Lösung den Spektren der Gasphase ähneln. Daher habe ich die UV-Absorptionsspektren aller drei Thiouracile gemessen, um eine Referenz für die Gasphase zu erhalten, und in Kombination mit Berechnungen die an den Übergängen beteiligten angeregten Zustände bestimmt. Im Gegensatz zur UV-Absorption ist die Literatur zur Röntgenspektroskopie von thioniertem Uracil spärlich. Daher haben wir statische Photoelektronen-, Auger-Meitner- und Röntgenabsorptionsspektren an der Schwefel-L-Kante vor oder parallel zu den zeitaufgelösten Experimenten an FLASH (DESY, Hamburg) gemessen. Darüber hinaus wurden (bisher unveröffentlichte) Messungen am Synchrotron SOLEIL (Frankreich) durchgeführt, die in diese Arbeit eingeflossen sind und die Spin-Orbit-Aufspaltung der S 2p-Photolinie und ihres Satelliten zeigen, die am Freie-Elektronen-Laser nicht beobachtet wurde. Die Relaxation von 2-Thiouracil wurde in den letzten Jahren ausgiebig mit ultraschnellen Methoden im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich untersucht, die die ultraschnelle Natur des molekularen Prozesses nach der Photoanregung zeigen. Die ultraschnelle Spektroskopie, bei der die Elektronen des Kernniveaus untersucht werden, bietet einen ergänzenden Ansatz zu den üblichen optischen Techniken. Die Methode erhält ihre lokale Empfindlichkeit durch die stark lokalisierten Kernelektronen. Die Kernenergien und Kern-Valenz-Übergänge werden stark von lokalen Valenzladungs- und Geometrieänderungen beeinflusst, und frühere Studien haben diese Empfindlichkeit genutzt, um den molekularen Prozess zu untersuchen, der sich in der ultraschnellen Dynamik widerspiegelt. Wir haben eine Apparatur gebaut, die die Voraussetzungen für die Durchführung zeitaufgelöster Röntgenspektroskopie an Molekülen in der Gasphase bietet. Mit dieser Apparatur haben wir Anregungs-Abfrage-Elektronenspektroskopie an der S 2p-Kante von 2-Thiouracil an dem Freie-Elektronen-Laser FLASH2 durchgeführt. Zuerst triggert ein UV-Puls die Relaxationsdynamik und anschließend tastet ein Röntgenpuls das einzelne Schwefelatom im Inneren des Moleküls ab. Für die Analyse der Photoelektronenspektren habe ich eine Selbstrefernzierung der Photolinie implementiert, mit deren Hilfe der spektrale Jitter des FEL minimiert werden konnte. Dieser ist auf den zugrunde liegenden Prozess der selbstverstärkten spontanen Emission (SASE) zurückzuführen. Mit diesem Ansatz konnten wir nicht nur dynamische Veränderungen in der Bindungsenergie der Elektronen untersuchen, sondern auch ein oszillierendes Verhalten in der Verschiebung der beobachteten Photolinie feststellen, das wir mit einer nicht-adiabatischen Dynamik in Verbindung bringen, an der mehrere elektronische Zustände beteiligt sind. Außerdem konnten wir die UV-induzierte Verschiebung der Bindungsenergie mit dem lokalen Ladungsfluss am Schwefel in Verbindung bringen, der direkt mit dem elektronischen Zustand verbunden ist. Darüber hinaus zeigt die Analyse der Auger-Meitner-Elektronen, dass die in frühen Stadien der photoinduzierten Relaxation beobachteten Energieverschiebungen mit der Geometrieänderung des Moleküls zusammenhängen. Genauer gesagt korreliert der beobachtete Anstieg der kinetischen Energie der Auger-Meitner-Elektronen mit einer zuvor vorhergesagten Dehnung der C=S-Bindung. KW - thiouracil KW - ultrafast molecular dynamics KW - x-ray spectroscopy KW - Auger-Meitner electron spectroscopy KW - photoelectron spectroscopy KW - free-electron laser KW - FLASH KW - excited-state chemical shift KW - Thiouracil KW - ultraschnelle Moleküldynamik KW - Röntgenspektroskopie KW - Photoelektronenspektroskopie KW - pump-probe spectroscopy KW - Freie-Elektronen-Laser KW - Anregungs-Abfrage-Spektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571636 ER -