We describe a setup for time-resolved photoemission electron microscopy with aberration correction enabling 3 nm spatial resolution and sub-20 fs temporal resolution. The latter is realized by our development of a widely tunable (215–970 nm) noncollinear optical parametric amplifier (NOPA) at 1 MHz repetition rate. We discuss several exemplary applications. Efficient photoemission from plasmonic Au nanoresonators is investigated with phase-coherent pulse pairs from an actively stabilized interferometer. More complex excitation fields are created with a liquid-crystal-based pulse shaper enabling amplitude and phase shaping of NOPA pulses with spectral components from 600 to 800 nm. With this system we demonstrate spectroscopy within a single plasmonic nanoslit resonator by spectral amplitude shaping and investigate the local field dynamics with coherent two-dimensional (2D) spectroscopy at the nanometer length scale (“2D nanoscopy”). We show that the local response varies across a distance as small as 33 nm in our sample. Further, we report two-color pump–probe experiments using two independent NOPA beamlines. We extract local variations of the excited-state dynamics of a monolayered 2D material (WSe2) that we correlate with low-energy electron microscopy (LEEM) and reflectivity measurements. Finally, we demonstrate the in situ sample preparation capabilities for organic thin films and their characterization via spatially resolved electron diffraction and dark-field LEEM.

1.
G. D.
Scholes
,
G. R.
Fleming
,
L. X.
Chen
,
A.
Aspuru-Guzik
,
A.
Buchleitner
,
D. F.
Coker
,
G. S.
Engel
,
R.
van Grondelle
,
A.
Ishizaki
,
D. M.
Jonas
,
J. S.
Lundeen
,
J. K.
McCusker
,
S.
Mukamel
,
J. P.
Ogilvie
,
A.
Olaya-Castro
,
M. A.
Ratner
,
F. C.
Spano
,
K. B.
Whaley
, and
X.
Zhu
,
Nature
543
,
647
(
2017
).
2.
R. M.
Tromp
,
J. B.
Hannon
,
A. W.
Ellis
,
W.
Wan
,
A.
Berghaus
, and
O.
Schaff
,
Ultramicroscopy
110
,
852
(
2010
).
4.
E.
Bauer
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
185
,
314
(
2012
).
5.
E.
Bauer
,
Surface Microscopy with Low Energy Electrons
(
Springer
,
New York
,
2014
).
6.
M.
Aeschlimann
,
C. A.
Schmuttenmaer
,
H. E.
Elsayed-Ali
,
R. J. D.
Miller
,
J.
Cao
,
Y.
Gao
, and
D. A.
Mantell
,
J. Chem. Phys.
102
,
8606
(
1995
).
7.
O.
Schmidt
,
M.
Bauer
,
C.
Wiemann
,
R.
Porath
,
M.
Scharte
,
O.
Andreyev
,
G.
Schönhense
, and
M.
Aeschlimann
,
Appl. Phys. B
74
,
223
(
2002
).
8.
A.
Kubo
,
K.
Onda
,
H.
Petek
,
Z.
Sun
,
Y. S.
Jung
, and
H. K.
Kim
,
Nano Lett.
5
,
1123
(
2005
).
9.
M.
Cinchetti
,
A.
Gloskovskii
,
S. A.
Nepjiko
,
G.
Schönhense
,
H.
Rochholz
, and
M.
Kreiter
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
047601
(
2005
).
10.
A.
Kubo
,
N.
Pontius
, and
H.
Petek
,
Nano Lett.
7
,
470
(
2007
).
11.
F.-J.
Meyer zu Heringdorf
,
L. I.
Chelaru
,
S.
Möllenbeck
,
D.
Thien
, and
M.
Horn-von Hoegen
,
Surf. Sci.
601
,
4700
(
2007
).
12.
J.
Graf
,
S.
Hellmann
,
C.
Jozwiak
,
C. L.
Smallwood
,
Z.
Hussain
,
R. A.
Kaindl
,
L.
Kipp
,
K.
Rossnagel
, and
A.
Lanzara
,
J. Appl. Phys.
107
,
014912
(
2010
).
13.
N. M.
Buckanie
,
J.
Göhre
,
P.
Zhou
,
D.
von der Linde
,
M.
Horn-von Hoegen
, and
F.-J.
Meyer zu Heringdorf
,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
314003
(
2009
).
14.
T.
Munakata
,
T.
Masuda
,
N.
Ueno
,
A.
Abdureyim
, and
Y.
Sonoda
,
Surf. Sci.
507
,
434
(
2002
).
15.
A.
Mikkelsen
,
J.
Schwenke
,
T.
Fordell
,
G.
Luo
,
K.
Klünder
,
E.
Hilner
,
N.
Anttu
,
A. A.
Zakharov
,
E.
Lundgren
,
J.
Mauritsson
,
J. N.
Andersen
,
H. Q.
Xu
, and
A.
L’Huillier
,
Rev. Sci. Instrum.
80
,
123703
(
2009
).
16.
S. H.
Chew
,
F.
Süßmann
,
C.
Späth
,
A.
Wirth
,
J.
Schmidt
,
S.
Zherebtsov
,
A.
Guggenmos
,
A.
Oelsner
,
N.
Weber
,
J.
Kapaldo
,
A.
Gliserin
,
M. I.
Stockman
,
M. F.
Kling
, and
U.
Kleineberg
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
051904
(
2012
).
17.
S. H.
Chew
,
K.
Pearce
,
C.
Späth
,
A.
Guggenmos
,
J.
Schmidt
,
F.
Süßmann
,
M. F.
Kling
,
E.
Mårsell
,
C. L.
Arnold
,
E.
Lorek
,
P.
Rudawski
,
C.
Guo
,
M.
Miranda
, and
F.
Ardana
, in
Attosecond Nanophysics
(
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
,
2015
), pp.
325
364
.
18.
G.
Cerullo
and
S.
De Silvestri
,
Rev. Sci. Instrum.
74
,
1
(
2003
).
19.
C.
Homann
,
C.
Schriever
,
P.
Baum
, and
E.
Riedle
,
Opt. Express
16
,
5746
(
2008
).
20.
M.
Bradler
and
E.
Riedle
,
Opt. Lett.
39
,
2588
(
2014
).
21.
A.
Höfer
,
K.
Duncker
,
M.
Kiel
,
S.
Förster
, and
W.
Widdra
,
IBM J. Res. Dev.
55
,
4:1
(
2011
).
22.
M.
Dąbrowski
,
Y.
Dai
,
A.
Argondizzo
,
Q.
Zou
,
X.
Cui
, and
H.
Petek
,
ACS Photonics
3
,
1704
(
2016
).
23.
M.
Dąbrowski
,
Y.
Dai
, and
H.
Petek
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
4446
(
2017
).
24.
A.
Sander
,
M.
Christl
,
C.-T.
Chiang
,
M.
Alexe
, and
W.
Widdra
,
J. Appl. Phys.
118
,
224102
(
2015
).
25.
S.
Tan
,
L.
Liu
,
Y.
Dai
,
J.
Ren
,
J.
Zhao
, and
H.
Petek
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
6160
(
2017
).
26.
K.
Duncker
,
M.
Kiel
, and
W.
Widdra
,
Surf. Sci.
606
,
L87
(
2012
).
27.
M.
Aeschlimann
,
T.
Brixner
,
A.
Fischer
,
C.
Kramer
,
P.
Melchior
,
W.
Pfeiffer
,
C.
Schneider
,
C.
Strüber
,
P.
Tuchscherer
, and
D. V.
Voronine
,
Science
333
,
1723
(
2011
).
28.
A.
Mikkelsen
,
Nat. Photonics
5
,
651
(
2011
).
29.
C.
Schriever
,
S.
Lochbrunner
,
P.
Krok
, and
E.
Riedle
,
Opt. Lett.
33
,
192
(
2008
).
30.
A. M.
Weiner
,
Rev. Sci. Instrum.
71
,
1929
(
2000
).
31.
A.
Monmayrant
,
S.
Weber
, and
B.
Chatel
,
J. Phys. B: At., Mol. Opt. Phys.
43
,
103001
(
2010
).
32.
C.
Homann
,
N.
Krebs
, and
E.
Riedle
,
Appl. Phys. B
104
,
783
(
2011
).
33.
S.
Goetz
,
D.
Li
,
V.
Kolb
,
J.
Pflaum
, and
T.
Brixner
,
Opt. Express
26
,
3915
(
2018
).
34.
E.
Wittmann
,
S.
Heimann
, and
E.
Riedle
, in
2017 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC)
(
OSA Publishing
,
2017
), p.
1
.
35.
P.
Baum
,
S.
Lochbrunner
, and
E.
Riedle
,
Appl. Phys. B
79
,
1027
(
2004
).
36.
A. D.
Bristow
,
D.
Karaiskaj
,
X.
Dai
,
T.
Zhang
,
C.
Carlsson
,
K. R.
Hagen
,
R.
Jimenez
, and
S. T.
Cundiff
,
Rev. Sci. Instrum.
80
,
073108
(
2009
).
37.
V.
Volkov
,
R.
Schanz
, and
P.
Hamm
,
Opt. Lett.
30
,
2010
(
2005
).
38.
U.
Selig
,
F.
Langhojer
,
F.
Dimler
,
T.
Löhrig
,
C.
Schwarz
,
B.
Gieseking
, and
T.
Brixner
,
Opt. Lett.
33
,
2851
(
2008
).
39.
D.
Brida
,
C.
Manzoni
, and
G.
Cerullo
,
Opt. Lett.
37
,
3027
(
2012
).
40.
M. U.
Wehner
,
M. H.
Ulm
, and
M.
Wegener
,
Opt. Lett.
22
,
1455
(
1997
).
41.
M.
Aeschlimann
,
T.
Brixner
,
A.
Fischer
,
M.
Hensen
,
B.
Huber
,
D.
Kilbane
,
C.
Kramer
,
W.
Pfeiffer
,
M.
Piecuch
, and
P.
Thielen
,
Appl. Phys. B
122
,
199
(
2016
).
42.
E.
Krauss
,
R.
Kullock
,
X.
Wu
,
P.
Geisler
,
N.
Lundt
,
M.
Kamp
, and
B.
Hecht
,
Cryst. Growth Des.
18
,
1297
(
2018
).
43.
K.
Chen
,
G.
Razinskas
,
H.
Vieker
,
H.
Gross
,
X.
Wu
,
A.
Beyer
,
A.
Gölzhäuser
, and
B.
Hecht
,
Nanoscale
10
,
17148
(
2018
).
44.
H.
Groß
,
J. M.
Hamm
,
T.
Tufarelli
,
O.
Hess
, and
B.
Hecht
,
Sci. Adv.
4
,
eaar4906
(
2018
).
45.
A.
Galler
and
T.
Feurer
,
Appl. Phys. B
90
,
427
(
2008
).
46.
T.
Feurer
,
J. C.
Vaughan
,
R. M.
Koehl
, and
K. A.
Nelson
,
Opt. Lett.
27
,
652
(
2002
).
47.
H.-S.
Tan
,
J. Chem. Phys.
129
,
124501
(
2008
).
48.
P.
Tian
,
D.
Keusters
,
Y.
Suzaki
, and
W. S.
Warren
,
Science
300
,
1553
(
2003
).
49.
D.
Keusters
,
H.-S.
Tan
, and
W. S.
Warren
,
J. Phys. Chem. A
103
,
10369
(
1999
).
50.
A. B.
Pang
,
T.
Müller
,
M. S.
Altman
, and
E.
Bauer
,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
314006
(
2009
).
51.
M.
Hensen
,
B.
Huber
,
D.
Friedrich
,
E.
Krauss
,
S.
Pres
,
P.
Grimm
,
D.
Fersch
,
J.
Lüttig
,
V.
Lisinetskii
,
B.
Hecht
, and
T.
Brixner
,
Nano Lett.
19
,
4651
(
2019
).
52.
B.
Huber
,
M.
Hensen
,
S.
Pres
,
V.
Lisinetskii
,
J.
Lüttig
,
E.
Wittmann
,
E.
Krauss
,
D.
Friedrich
,
B.
Hecht
,
E.
Riedle
, and
T.
Brixner
,
EPJ Web Conf.
205
,
08002
(
2019
).
53.
M. M.
Ugeda
,
A. J.
Bradley
,
S.-F.
Shi
,
F. H.
da Jornada
,
Y.
Zhang
,
D. Y.
Qiu
,
W.
Ruan
,
S.-K.
Mo
,
Z.
Hussain
,
Z.-X.
Shen
,
F.
Wang
,
S. G.
Louie
, and
M. F.
Crommie
,
Nat. Mater.
13
,
1091
(
2014
).
54.
S.
Park
,
N.
Mutz
,
T.
Schultz
,
S.
Blumstengel
,
A.
Han
,
A.
Aljarb
,
L.-J.
Li
,
E. J. W.
List-Kratochvil
,
P.
Amsalem
, and
N.
Koch
,
2D Mater.
5
,
025003
(
2018
).
55.
C. L.
Smallwood
and
S. T.
Cundiff
,
Laser Photonics Rev.
12
,
1800171
(
2018
).
56.
S. C.
de la Barrera
,
Y.-C.
Lin
,
S. M.
Eichfeld
,
J. A.
Robinson
,
Q.
Gao
,
M.
Widom
, and
R. M.
Feenstra
,
J. Vac. Sci. Technol., B: Nanotechnol. Microelectron.: Mater., Process., Meas., Phenom.
34
,
04J106
(
2016
).
57.
P.
Hein
,
A.
Stange
,
K.
Hanff
,
L. X.
Yang
,
G.
Rohde
,
K.
Rossnagel
, and
M.
Bauer
,
Phys. Rev. B
94
,
205406
(
2016
).
58.
L.
Wang
,
C.
Xu
,
M.-Y.
Li
,
L.-J.
Li
, and
Z.-H.
Loh
,
Nano Lett.
18
,
5172
(
2018
).
59.
J.
Jobst
,
A. J. H.
van der Torren
,
E. E.
Krasovskii
,
J.
Balgley
,
C. R.
Dean
,
R. M.
Tromp
, and
S. J.
van der Molen
,
Nat. Commun.
7
,
13621
(
2016
).
60.
R. M.
Feenstra
,
N.
Srivastava
,
Q.
Gao
,
M.
Widom
,
B.
Diaconescu
,
T.
Ohta
,
G. L.
Kellogg
,
J. T.
Robinson
, and
I. V.
Vlassiouk
,
Phys. Rev. B
87
,
041406
(
2013
).
61.
K.
Glöckler
,
C.
Seidel
,
A.
Soukopp
,
M.
Sokolowski
,
E.
Umbach
,
M.
Böhringer
,
R.
Berndt
, and
W.-D.
Schneider
,
Surf. Sci.
405
,
1
(
1998
).
62.
L.
Kilian
,
E.
Umbach
, and
M.
Sokolowski
,
Surf. Sci.
573
,
359
(
2004
).
63.
E.
Umbach
,
K.
Glöckler
, and
M.
Sokolowski
,
Surf. Sci.
402-404
,
20
(
1998
).
64.
H.
Marchetto
,
T.
Schmidt
,
U.
Groh
,
F. C.
Maier
,
P. L.
Lévesque
,
R. H.
Fink
,
H.-J.
Freund
, and
E.
Umbach
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
29150
(
2015
).
65.
M.
Aeschlimann
,
M.
Bauer
,
D.
Bayer
,
T.
Brixner
,
S.
Cunovic
,
F.
Dimler
,
A.
Fischer
,
W.
Pfeiffer
,
M.
Rohmer
,
C.
Schneider
,
F.
Steeb
,
C.
Strüber
, and
D. V.
Voronine
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
5329
(
2010
).
You do not currently have access to this content.