Design, realization and characterization of an experimental setup for transient reflectivity experiments

In the recent years, the interest in table-top extreme-ultraviolet (XUV) sources, generating ultra-short pulses in the attosecond time domain, has grown. Fast electron dynamics can be investigated in a pump-and-probe scheme, using such very short pulses. Indeed, due to their short duration, the resulting temporal resolution is enough for assessing such phenomena with very high precision. Understanding the ultra-fast dynamics of electrons can give the chance to unveil hidden properties of matter, from standard semiconductors to much more exotic compounds, or even disclose unknown phenomena. The impact of this can be significant, as in many technological fields, like in microelectronics, a major breakthrough is awaited for overcoming the intrinsic limitations of the classical schemes those sectors strongly rely on. In this perspective, our final aim is to use ultra-short pulses obtained by means of a well known process, called high-order harmonic generation (HHG), to study the electron dynamics in solids, despite we can also use gas samples. To do so, we plan to perform experiments and measure the transient reflectance of the XUV radiation, after the excitation of the sample by means of an infrared (IR) short laser pulse, with a duration of few femtoseconds. The reflectance can be linked to the electron properties of the sample. In this work, we discuss the realization of an entire experimental setup for transient reflectivity pump-and-probe experiments. We will illustrate in details the main features of the experimental setup we have designed and built and present some preliminary results we have obtain for the characterization of the possible performances of the apparatus. Additionally, we will discuss some results for the benchmarking of the setup, obtained by means of simplified experiments on well characterized samples.

Negli ultimi tempi si è osservato un crescente interesse per le sorgenti di radiazione nell'estremo ultravioletto (XUV), in grado di generare impulsi ultrabrevi della durata di centinaia di attosecondi. Tali impulsi sono particolarmente indicati per investigare le veloci dinamiche elettroniche poiché, data la loro breve durata, forniscono una risoluzione temporale tale da permettere di studiare questi fenomeni. La comprensione di tali dinamiche può dare la possibilità di svelare proprietà nascoste della materia, dai semiconduttori a composti più esotici, nonché scoprire nuovi e sconosciuti fenomeni. L'impatto di ciò sarebbe significativo, considerando che in molti campi tecnologici da tempo si attende una scoperta, tale da permettere di superare i limiti intrinseci degli schemi classici, verso cui si sta inesorabilmente andando. In questa prospettiva, il nostro scopo finale è quello di usare impulsi ultrabrevi, ottenuti nell'ambito della generazione di armoniche di ordine elevato (HHG), per investigare le dinamiche elettroniche in solidi, sebbene nel nostro apparato sia possibile anche usare campioni gassosi. Per fare ciò, intendiamo condurre esperimenti per misurare come varia la riflettività dei campioni nel dominio XUV, in seguito all'eccitazione per mezzo di un impulso infrarosso (IR), dalla durata di pochi femtosecondi. In questo lavoro discuteremo della realizzazione di un apparato per condurre esperimenti di riflettività transiente, in uno schema di pump-and-probe. Mostreremo in dettaglio le caratteristiche del sistema che abbiamo progettato e costruito e presenteremo alcuni risultati preliminari, usati per caratterizzarne le possibili prestazioni. Inoltre, discuteremo di alcuni risultati di prova ottenuti su campioni noti, qui usati come riferimento.